Työraportti 2006-05 Olkiluodon loppusijoitustilojen käyttövaiheen ilmastoinnin toteutus Juha Nieminen Helmikuu 2006 POSIVA OY FI-27160 OLKILUOTO, FINLAND Tel +358-2-8372 31 Fax +358-2-8372 3709
Työraportti 2006-05 Olkiluodon loppusijoitustilojen käyttövaiheen ilmastoinnin toteutus Juha Nieminen Fortum Nuclear Services Oy Helmikuu 2006 Posivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia. Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat ovat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä vastaa Posiva Oy:n kantaa.
OLKILUODON LOPPUSIJOITUSTILOJEN KÄYTTÖVAIHEEN ILMASTOINNIN TOTEUTUS TIIVISTELMÄ Loppusijoitustilan valvomattoman alueen tulo- ja poistoilmastointikoneet sijoitetaan IVkuilurakennukseen ja valvonta-alueen ilmastointikoneet joko kapselointilaitokseen tai käyttörakennukseen. Loppusijoitustilassa käytetään paineenkorotuspuhaltimia louhintajaksojen aikana, kun loppusijoitustiloja laajennetaan. Tuloilma tuodaan IVkuilua pitkin, poistoilmalle porataan oma nousu kallioon. Poistoilmanousua käytetään myös savunpoistoon. Loppusijoitustilojen ilma vaihdetaan keskimäärin kerran kahdessa tunnissa. Ilmaa vaihdetaan keskimäärin 67 m 3 /s puhallintehon ollessa noin 140 kw. Valvomattoman alueen ilmastointinousujen poikkipinta-alat ovat noin 6 m 2 ja valvontaalueen 2,5 m 2. Ilmastointikanavan halkaisija keskustunnelin tutkimuslenkissä on 1,8 m ja varsinaisessa keskustunnelissa 1,6 m. Loppusijoitustunneliin menevän ilmastointikanavan halkaisija on 0,3 m. Tulipalotilanteita on simuloitu kapselin siirto- ja asennusajoneuvon palolla. Keskustunnelin suurimmasta palo-osastosta on kyettävä poistumaan noin viidessä minuutissa ja loppusijoitustunnelista noin kolmessa minuutissa. Savukaasujen tuuletuksella kyetään rajoittamaan lämpötilan nousu niin, että rakenteiden vaurioituminen pysyy rajoitettuna. Paloturvallisuuden kannalta tilojen jako paloosastoihin on ehdottoman välttämätöntä. Loppusijoitustilat lämmitetään tuloilmaa lämmittämällä. Poistoilmasta otetaan lämpö talteen. Suurin lämmitysteho on 2,7 MW ja vuosittainen lämmitysenergian kulutus on 9 GWh. Avainsanat: Käytetyn polttoaineen loppusijoitus, loppusijoitustilat, ilmanvaihto, lämmitys ja savunpoisto.
IMPLEMENTATION OF THE VENTILATION SYSTEM FOR OPERATIONAL PHASE OF OLKILUOTO REPOSITORY ABSTRACT The non-controlled area repository's ventilation equipment is located in the ventilation shaft building. The controlled area repository's ventilation equipment is located either in the encapsulation plant or in the operation building. During the excavation phase, when repository spaces are extended, the booster fans are used in the repository. The inlet air is conducted along the ventilation shaft. For the exhaust ventilation a separate ventilation rise is drilled in the rock. The exhaust ventilation rise is used also for smoke venting. The air is changed in average once in two hours. The average air flow is 67 m 3 /s and the fan power is about 140 kw. The cross-sectional area of the ventilation rises in the non-controlled area are about 6 m 2 and in the controlled area about 2,5 m 2. The diameter of ventilation duct in the characterization tunnel is 1.8 m and in the central tunnel 1.6 m. The ventilation duct diameter for the disposal tunnel is 0.3 m. Fire cases are simulated by the fire of the canister transfer and installation vehicle. In a fire the smoke is spreading very fast. The evacuation of personnel shall take place in five minutes from largest fire compartment of the central tunnel and in three minutes from the disposal tunnel. The temperature increase can be limited by the smoke ventilation so that the structure damages remain local. For fire safety the repository spaces compartmenting into fire zones is very essential. The repository spaces are heated by heating the inlet air. The heat recovery unit is installed in the exhaust ventilation line. The maximum heating power is 2,7 MW and the annual heating energy is 9 GWh. Keywords: Spent nuclear fuel disposal, repository spaces, ventilation, heating and smoke ventilation.
1 SISÄLLYSLUETTELO Sivu TIIVISTELMÄ ABSTRACT 1 JOHDANTO... 2 2 LOPPUSIJOITUSTOIMINNAN JA TILOJEN YLEISET PERIAATTEET... 3 2.1 Loppusijoitustilojen rakentaminen... 3 2.2 Loppusijoitustilojen jako valvonta- ja valvomattomaan alueeseen... 6 3 ILMASTOINTIJÄRJESTELMÄN TOIMINTAPERIAATE... 7 4 ILMASTOINNIN MITOITTAVAT TEKIJÄT... 9 4.1 Ilman laatu... 9 4.1.1 Radon ja metaani... 9 4.1.2 Pakokaasupäästöt... 10 4.1.3 Loppusijoitustiloissa esiintyviä epäpuhtauksia... 10 4.2 Lämpökuormat... 13 4.3 Poistokuilussa kulkeutuvat hiukkaset... 14 4.4 Ilman kosteuden hallinta... 14 4.5 Savunpoisto... 14 5 ILMASTOINNIN MITOITUS... 16 5.1 Ilmastointijärjestelmä... 16 5.1.1 Puhaltimet... 16 5.1.2 Ilmastointikoneikko... 16 5.1.3 Kanavat ja kanavaosat... 16 5.2 Ilman epäpuhtaudet... 17 5.3 Ilmastointijärjestelmän mitoitus käyttövaiheessa... 19 5.3.1 Yleiset toimintaperiaatteet... 19 5.3.2 Käyttövaiheen ilmastoinnin mitoitus... 21 5.4 Savunpoisto... 26 5.5 Lämmitys... 30 5.5.1 Lähtötiedot... 30 5.5.2 Lämmitystehon laskenta... 30 5.5.3 Lämmitysenergian laskenta... 34 5.5.4 Lämmityksen yhteenveto... 36 6 LÄHDELUETTELO... 37
2 1 JOHDANTO Tässä raportissa tarkastellaan käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitustilojen ilmastoinnin toteuttamista tilojen käyttövaiheessa yksikerrosvaihtoehdon mukaisesti. Loppusijoitustilat laajenevat käyttövaiheessa. Muutokset johtuvat tilojen vaiheittaisesta louhinnasta, loppusijoituksesta sekä tilojen täyttämisestä. Tilojen muuttuessa myös järjestelmien, kuten ilmastoinnin, pitää muuttua uusien tilojen tarpeita vastaaviksi. Ilmastoinnin mitoituksen periaate on, että käytön aikaiset kustannukset minimoidaan. Ilmastointijärjestelmän käyttökustannukset ovat investointikustannuksia suuremmat. Ilmastoinnin toteutus ONKALOssa, loppusijoitusta valmistelevassa vaiheessa, sulkemisvaiheessa sekä raportissa käytetyt palotilanneanalyysit esitetään erillisissä raporteissaan.
3 2 LOPPUSIJOITUSTOIMINNAN JA TILOJEN YLEISET PERIAATTEET 2.1 Loppusijoitustilojen rakentaminen Loppusijoituslaitos koostuu sijoitus- ja keskustunneleista, teknisistä tiloista, kuiluista, ajotunnelista sekä maan pinnalla olevista rakennuksista. ONKALO liitetään kokonaisuudessaan loppusijoitustiloihin. ONKALOn karakterisointitunnelilenkki muuttuu osaksi loppusijoitustilojen keskustunneliverkostoa käyttövaiheessa. Keskustunnelien on tarkoitus toimia loppusijoituskapselien, louheen ja sijoitustunnelien täyttömateriaalin kuljetusreitteinä. Kuvassa 1 on esitetty ONKALOn karakterisointitunnelilenkissä sijaitsevat tulo- ja poistoilmakanavat. Kuva 1. ONKALOn karakterisointitunnelilenkin kanavat. IV-kuilu näkyy kuvassa vihreänä ja poistokuilu punaisena.
4 Keskustunneleissa sovelletaan rinnakkaistunneliperiaatetta. Kuvan 2 mukaisesti loppusijoitettavalle alueelle louhitaan kaksi rinnakkaista keskustunnelia. Keskustunnelien väliin louhitaan yhdystunneleita 100 metrin välein. Sijoitustunnelit louhitaan keskustunnelien molemmille puolille kuvan 2 mukaisesti. Tunnelien lattiaan porataan reiät, joihin loppusijoituskapselit sijoitetaan. Sijoitustunnelien enimmäispituus on 350 m. Kuva 2. Loppusijoitustunnelit ja rinnakkaiset keskustunnelit. (Kirkkomäki 2004)
5 Yksikerrosvaihtoehdon mukainen loppusijoitustilojen louhinta jakaantuu kymmeneen eri vaiheeseen. Ensimmäinen eli loppusijoitusta valmisteleva vaihe toteutetaan ennen loppusijoittamisen aloittamista, kuva 3. (Kirkkomäki 2004) Lopuissa yhdeksässä louhintavaiheessa louhitaan lisää loppusijoitus- ja keskustunneleita. Louhinnat ajoittuvat vuosille 2022-2105. Valmiiksi louhittuja sijoitustunneleita loppusijoitetaan ja täytetään samanaikaisesti louhinnan edetessä. Kuvassa 4 on esitetty loppusijoitustilat viimeisen louhintavaiheen jälkeen. (Kirkkomäki 2004) Kuva 3. Loppusijoitustilojen louhinnan valmistelevassa vaiheessa tasolle -420 m rakennettavat tilat. Louhittavat tilat on esitetty harmaina.
6 Kuva 4. Yksikerrosratkaisun mukaiset loppusijoitustilat viimeisen louhintavaiheen jälkeen. Suurin osa kuvassa näkyvistä loppusijoitus- ja keskustunneleista on jo suljettu tässä vaiheessa. 2.2 Loppusijoitustilojen jako valvonta- ja valvomattomaan alueeseen Loppusijoituksen alkaessa tilat jaetaan kuvassa 2 esitetyn esimerkin mukaisesti valvonta- ja valvomattomaan alueeseen. Valvonta-alueella suoritetaan loppusijoitus ja valvomattomalla alueella tilojen louhinta ja täyttö. Molemmissa tiloissa toimitaan samanaikaisesti. Yhtenä tilojen jakamisen perusteena on, että henkilöstön liikkumista pystytään kontrolloimaan ja henkilöstön saamat säteilyannokset voidaan mitata. Valvonta- ja valvomattoman alueen rajat muuttuvat sitä mukaa, kuin loppusijoituksessa olevat sijoitustunnelit tulevat täyteen ja loppusijoitus aloitetaan uusissa tunneleissa. Alueet rajataan toisistaan ilmatiiviillä seinillä, jotka toimivat samalla myös paloosastojen rajoina. Rajat sijaitsevat keskustunneleissa ja niitä yhdistävissä yhdystunneleissa.
7 3 ILMASTOINTIJÄRJESTELMÄN TOIMINTAPERIAATE Ilmastointijärjestelmän toteutus- ja toimintaperiaatteita ovat: - Ilma tuodaan valvomattomalle alueelle IV-kuilua pitkin ja poistetaan erillisen poistokuilun kautta. Kuilujen poikkipinta-alat ovat noin 6 m 2. Valvonta-alueelle rakennetaan omat tulo- ja poistoilmanousut ilmanvaihtoa varten. Kuilujen poikkipinta-ala on noin 2,5 m 2. - Loppusijoitustilat jaetaan palo-osastoihin. Ilma tulee palo-osastoon tuloilmakanavassa ja poistetaan poistoilmakanavaa pitkin. - Ilmastointikoneikot (kuva 5) ovat maan päällä. Maan alla kanavissa kiinni olevia paineenkorotuspuhaltimia käytetään tarvittaessa laajennusvaiheissa. - Tuloilma suodatetaan ja esilämmitetään maan päällä. Ilman lämpötila nostetaan paikallisilla lämmittimillä haluttuun arvoon. Poistoilmasta talteen otettavalla lämmöllä lämmitetään tuloilmaa. - Savunpoistossa käytetään poistoilmakanavia. Savunpoistossa käytetään savunpoistopuhaltimia, jotka on tehty kestämään kuumien savukaasujen vaikutukset (400 C, 2 h). Korvausilma tuotetaan korvausilmapuhaltimilla. - Kanavat paloeristetään, jos ne kulkevat palo-osastojen läpi. Kanaviin asennetaan palopellit palo-osastojen rajoille. - Tilojen ilmanvaihdon tulee olla riittävä, jotta terveydelle haitallisten aineiden pitoisuudet pysyvät raja-arvojen alla. - Ajotunnelissa ei ole kanavointia, vaan ilma virtaa alemmasta kuiluliittymästä ylempään painovoimaisesti. Kuiluliittymätasojen välissä olevat ajotunnelilenkit on erotettu omiksi palo-osastoikseen. - Ilmaa kuivataan tarvittaessa maan päällä sijaitsevien ilmastointikoneiden avulla. Tilojen ilman kosteutta alennetaan tarvittaessa maan alla erillisillä ilmankuivaimilla. - Valvonta- ja valvomattoman alueen raja on samalla palo-osastojen raja.
8 Kuva 5. Ilmastointikoneikon periaate. Kuvassa sinisellä on merkitty tuloilmapuolella oleva kone, jossa on äänenvaimennus (1), tuloilman suodatus (2), LTO-patteri (3), tuloilman lämmitys (4), kosteuden poisto (5) ja tuloilmapuhaltimet (6). Punaisella värillä merkityssä poistoilmapuolella olevassa koneessa on LTO-patteri (7), poistoilmapuhaltimet (8) ja äänenvaimennus (9).
9 4 ILMASTOINNIN MITOITTAVAT TEKIJÄT 4.1 Ilman laatu Sosiaali- ja terveysministeriö on antanut asetuksen työpaikan haitallisiksi tunnettujen hengitysilman epäpuhtauksien enimmäispitoisuuksista. Työnantajan on huolehdittava siitä, että työpaikan ilman epäpuhtauksien pitoisuudet pysyvät asetuksessa määriteltyjen enimmäispitoisuuksien alapuolella. Haitallisiksi tunnetuista pitoisuuksista käytetään lyhennettä HTP-arvot. Haitallisten vaikutusten syntyminen riippuu epäpuhtauksien pitoisuuksien lisäksi altistusajasta. Siksi HTP-arvot on esitetty 8 tunnin, 15 minuutin ja hetkellisten keskipitoisuuksien mukaan. (Kemian työsuojeluneuvottelukunta 2002) Ilmastoinnin mitoitukseen vaikuttavat eniten radon ja ajoneuvojen pakokaasut. Seuraavissa kappaleissa on käsitelty näitä epäpuhtauksia tarkemmin. 4.1.1 Radon ja metaani Loppusijoitustiloja ympäröivässä kallioperässä esiintyy radioaktiivisia isotooppeja. Yksi tärkeimmistä on uraani (U-238), jonka hajoamissarjan kuudes nuklidi on radium (Ra- 226). Radiumin hajoamistuotteena syntyy kaasumainen radon (Rn-222). Radonkaasun ohella syntyy tytärtuotteina radonhiukkasia, jotka kiinnittyvät kalliotilassa olevaan pölyyn. Pöly voi aiheuttaa hengitysteihin joutuessaan keuhkosyöpää. Loppusijoitustilaan vapautuu radonia kallioseinämästä, vuotovesistä ja ajotien pohjana käytettävästä sorasta (Vesterbacka ja Arvela 1998). Lähteen (STUK 2000) mukaan hengitysilman työaikaisen radonpitoisuuden vuosikeskiarvo ei saa ylittää 400 Bq/m 3, kun vuotuinen työaika on 1600 h tai sitä pidempi. Tällöin työtä ei tarvitse luokitella säteilytyöksi. Kalliotilan ilman radonpitoisuus pystytään pitämään sallittujen enimmäispitoisuuksien alapuolella laimentamalla kalliotilan ilmaa ulkoa tuodulla puhtaalla ilmalla. Ulkoa tuotu ilma sisältää myös radonkaasua, mutta sen osuus kokonaisilmamäärästä on häviävän pieni. Tuuletetun kalliotilan ilmanvaihtokerroin voidaan määrittää kaavan (1) avulla (Vesterbacka ja Arvela 1998) G / V n = (1) C tp missä n on ilmanvaihtokerroin (1/s), G radonkaasun kokonaislähdevoimakkuus (Bq/h), V kalliotilan tilavuus (m 3 ) ja C tp kalliotilassa olevan radonkaasun tasapainopitoisuus (Bq/m 3 ). Lähteen (Vesterbacka & Arvela 1998) mukaan kokonaislähdevoimakkuus G voi vaihdella suurissa kalliotiloissa paljon. Ilmaan vapautuvan radonin määrä riippuu siitä, kuinka suuri veden radonpitoisuus on ja kuinka paljon kalliotiloihin vuotaa vettä.
10 4.1.2 Pakokaasupäästöt Loppusijoitustiloissa käytetään etenkin louhinta- ja täyttövaiheissa dieselajoneuvoja, joiden pakokaasujen mukana loppusijoitustilojen sisäilmaan vapautuu typen oksideja, hiilivetyjä, häkää ja hiukkasia. Suurin osa käytettävistä ajoneuvoista on kuorma-autoja. Taulukossa 1 on esitetty EU:n päästönormin mukaiset korkeimmat sallitut päästöarvot uusille kuorma-autoille. Taulukko 1. Raskaiden kuorma-autojen päästöluokat. (Dieselnet 2001) Päästöluokka Voimaantulovuosi Raja-arvo (g/kwh) NO x HC CO Hiukkaset Euro 0 14,4 2,4 11,2 0,75 Euro 1 1993 9,8 1,1 4,5 0,40 Euro 2 1996 7,0 1,1 4,0 0,15 Euro 3 2001 5,0 0,66 2,1 0,10 Euro 4 2006 3,5 0,46 1,5 0,02 Euro 5 2008 2,0 0,46 1,5 0,02 Pakokaasupäästöjen määrää palo-osastoissa on arvioitu kaavan (2) avulla dc( t) G = dt V q V C( t) (2) missä C(t) on pakokaasukomponentin pitoisuus ilmassa (g/m 3 ), G komponentin tuotto (g/s), V palo-osaston tilavuus (m 3 ) ja q ilman tilavuusvirta palo-osastossa (m 3 /s) 4.1.3 Loppusijoitustiloissa esiintyviä epäpuhtauksia Seuraavassa on esitelty kaivosolosuhteissa tavattavia ilman epäpuhtauksia. Samoja epäpuhtauksia tulee esiintymään myös loppusijoitustiloissa. Hiilidioksidi (CO 2 ) Loppusijoitustilassa hiilidioksidia pääsee ilmaan ajoneuvojen pakokaasuissa tai tulipalossa. Suuri hiilidioksidipitoisuus ilmassa voi aiheuttaa hapen syrjäytymisen ja sitä kautta tukehtumisen. Kahdeksan tunnin päivätyössä sallittu keskipitoisuuden raja-arvo on 5000 ppm (9000 mg/m 3 ) (Kemian työsuojeluneuvottelukunta 2002). Räjäytys- ja louhintatyössä enimmäispitoisuus on 9100 mg/m 3 (Valtioneuvosto 1986).
11 Hiilimonoksidi (CO, häkä) Hiilimonoksidia eli häkää vapautuu ilmaan orgaanisten aineiden epätäydellisen palamisen seurauksena. (Franzén et al. 1984) Loppusijoitustilassa hiilimonoksidia tuottavat ajoneuvojen moottorit, räjäytykset ja mahdolliset tulipalot. Kahdeksan tunnin sallittu keskipitoisuus on 30 ppm (35 mg/m 3 ) (Kemian työsuojeluneuvottelukunta 2002). Räjäytys- ja louhintatyössä raja-arvo on 50 ppm (55 mg/m 3 ) (Valtioneuvosto 1986). Typenoksidit (NO x ) Typenoksideiksi kutsutaan typpipitoisia kaasuja NO, NO 2, N 2 O 4 ja N 2 O 3. Typenoksideja vapautuu ilmaan ajoneuvojen pakokaasujen ja räjäytysten yhteydessä. Typpidioksidia pidetään terveysvaikutuksiltaan merkittävimpänä. (Franzén et al. 1984) Typpidioksidin rajapitoisuus on 3 ppm (5,7 mg/m 3 ) ja typpioksidin 25 ppm (31 mg/m 3 ) (Kemian työsuojeluneuvottelukunta 2002). Räjäytys- ja louhintatyössä typpidioksidin rajapitoisuus on 6 mg/m 3 (Valtioneuvosto 1986). Rikkidioksidi (SO 2 ) Rikkidioksidia pääsee ilmaan ajoneuvojen pakokaasujen mukana sekä räjäytysten seurauksena. Rikkidioksidin määrä riippuu rikin määrästä polttoaineessa. Kaasu on myrkyllistä jo alhaisina pitoisuuksina. Haitallinen rikkidioksidimäärä ilmenee silmien ja nenän ärsyyntymisenä. (Franzén et al. 1984) Normaaliolosuhteissa sallittu rikkidioksidipitoisuus on 1 ppm (2,7 mg/m 3 ) (Kemian työsuojeluneuvottelukunta 2002), räjäytys- ja louhintatyössä 2 ppm (5 mg/m 3 ) (Valtioneuvosto 1986). Formaldehydit Formaldehydejä kulkeutuu loppusijoitustilan ilmaan pakokaasujen ja räjäytyskaasujen mukana. Raja-arvo on 0,3 ppm (0,37 mg/m 3 ) (Kemian työsuojeluneuvottelukunta 2002). Aromaattiset hiilivedyt Aromaattisia hiilivetyjä esiintyy polttoaineissa ja epätäydellisen palamisen seurauksena niitä vapautuu myös ilmaan. Aromaattiset hiilivedyt voivat esiintyä kaasuna tai sitoutuneena nokipartikkeleihin. Hiilivedyt ovat monialtisteisia. Yleensä ollaan kiinnostuneita syöpää aiheuttavan bentso(a)pyreenin pitoisuudesta. (Franzén et al. 1984) Bentso(a)pyreeni Bentso(a)pyreeni on polttoaineessa esiintyvä aromaattinen hiilivety, jota voi vapautua ilmaan myös nokipartikkeleihin sitoutuneena. Raja-arvo on 0,01 mg/m 3 (Kemian työsuojeluneuvottelukunta 2002).
12 Noki Dieselmoottorien pakokaasujen mukana ympäristöön vapautuu myös nokipartikkeleita. Nokea syntyy epätäydellisen palamisen yhteydessä ja partikkelit voivat sisältää aromaattisia hiilivetyjä. (Minesafe 2003), (Franzén et al. 1984) Kokonaispölypitoisuus Käyttövaiheen aikana pölypitoisuuden enimmäisraja on 150 µg/m 3. Tämä arvo vastaa suurkaupunkien ilman pölypitoisuutta. Täyttövaiheessa valvomattomalla alueella sallittava kokonaispölypitoisuus on 10 mg/m 3. (Valtioneuvosto 1986) Kvartsi Kvartsin määrä pölyssä on suurin vaaratekijä maanalaisissa töissä Skandinaviassa. Hienojakoinen kvartsipöly voi aiheuttaa kivipölykeuhkon. Pääasiassa kooltaan 5 µm pienemmät hiukkaset pääsevät tunkeutumaan keuhkoihin ja aiheuttavat keuhkosairauksia. (Franzén et al. 1984) Kvartsin määrä ei saa ylittää arvoa 0,2 mg/m 3 (Kemian työsuojeluneuvottelukunta 2002). Asbesti Räjäytys- ja louhintatyössä raja-arvo on 0,5 yli mikrometrin mittaista kuitua kuutiosenttimetriä kohti (Valtioneuvosto 1986). Metaani Pohjaveteen liuennutta metaania vapautuu loppusijoitustilojen ilmaan tunneleihin vuotavasta vedestä. Metaani luokitellaan palavaksi kaasuksi ja se kuuluu räjähdysryhmään I. Metaani ja ilma muodostavat räjähdysherkän seoksen, jos sen pitoisuus ilmassa on 5 15 til-%, eli 33 100 g metaania kuutiossa ilmaa. (Suomen standardisoimisliitto 1998) Taulukossa 2 on koottuna edellä lueteltujen epäpuhtauksien raja-arvot.
13 Taulukko 2. Loppusijoitustiloissa esiintyviä epäpuhtauksia. Normaali työ (8 h) Räjäytys- ja louhintatyö (8 h) Radon 400 Bq/m 3 400 Bq/m 3 Hiilidioksidi 5000 ppm / 9000 mg/m 3 9100 mg/m 3 Hiilimonoksidi 30 ppm / 35 mg/m 3 50 ppm / 55 mg/m 3 Typpidioksidi 3 ppm / 5,7 mg/m 3 6 mg/m 3 Typpioksidi 25 ppm / 31 mg/m 3 25 ppm / 30 mg/m 3 Rikkidioksidi 1 ppm / 2,7 mg/m 3 2 ppm / 5 mg/m 3 Formaldehydit 0,3 ppm / 0,37 mg/m 3 0,3 ppm / 0,37 mg/m 3 Bentso(a)pyreeni 0,01 mg/m 3 0,01 mg/m 3 Kvartsi 0,2 mg/m 3 0,2 mg/m 3 Noki 0,16 mg/m 3 Asbesti 0,5 yli µm mittaista kuitua/m 3 Metaani 33 100 g/m 3 33-100 g/m 3 4.2 Lämpökuormat Loppusijoitustilojen lämmön lähteitä ovat tiloissa käytettävät ajoneuvot, sähkölaitteet (mm. puhaltimet ja muuntajat) ja tilojen valaistus. Tiloja louhittaessa myös kalliosta ja räjähdyksistä vapautuu lämpöä ilmaan. Lämpökuormien vaikutus on suurin kesäisin tiloja louhittaessa. Tietyssä palo-osastossa olevan vakiotehoisen lämmönlähteen vaikutusta sisäilman lämpötilaan on arvioitu kaavan (3) avulla T = T i + G cm& G e cm& m& t m (3) missä T T i G c m& m on palo-osaston sisäilman lämpötila ( C), tuloilman lämpötila ( C), lämmön tuotto (W), ilman ominaislämpökapasiteetti (J/(kg C)), ilman massavirta (kg/s) ja palo-osastossa olevan ilman massa (kg).
14 4.3 Poistokuilussa kulkeutuvat hiukkaset Pieniä hiekan jyväsiä saattaa päästä louhintavaiheissa kulkeutumaan poistoilmakuiluun ja sitä kautta lämmön talteenottolaitteeseen. Hiukkaset voivat pienentää lämmönsiirtimen käyttöikää. Poistokuilun halkaisijan kasvattaminen estää vain kaikkein suurimpien hiukkasten pääsyn ylös asti. Tästä syystä on tärkeää, että ilma suodatetaan louhintaperän lähellä poistoilmapuhaltimien yhteydessä olevilla suodattimilla. Ilman suodattamisen ohella toinen vaihtoehto on, että räjähdyskaasut ohjataan kokonaan lämmön talteenottopatterin ohi louhintavaiheissa. 4.4 Ilman kosteuden hallinta Loppusijoitustilojen ilman kosteuden hallinta on tärkeää, koska tiloissa olevien rakenteiden tulee kestää mahdollisimman pitkään. Tuloilmassa ei saa olla kosteutta niin paljoa, että se alkaisi tiivistyä rakenteiden pinnoille. Maan päällä olevien ilmastointikojeiden tehtävä on pitää ilman suhteellinen kosteus alle 80 %:ssa. Jos tiloissa on kosteudelle herkkiä laitteita, täytyy ilman suhteellinen kosteus olla alle 60 %. Tämä suoritetaan paikallisilla ilman kuivaimilla. Etukäteen louhituissa tiloissa, joissa ei työskennellä, lämpötila saa olla alle 15 C ja ilman suhteellinen kosteus 100 %. 4.5 Savunpoisto Loppusijoitustilat jaetaan palo-osastoihin, joiden tarkoitus on estää palon ja savukaasujen leviäminen muihin tiloihin. Korvausilma tuodaan tuloilmakanavia pitkin ja savu poistetaan poistoilmakanavia pitkin. Pelastusviranomainen suosittelee tunnelien savunpoistovirtaaman määrittämistä siten, että ilma liikkuu tunnelissa vähintään 2 m/s nopeudella. Tämä vaatimus johtaisi suuriin painehäviöihin loppusijoitustilojen kanavistossa ja savunpoistoon pitäisi varata paljon puhallinkapasiteettia. Palosimulointien avulla on pyritty selvittämään, kuinka suuri ilmamäärä todellisuudessa tarvitaan turvallisen poistumisen takaamiseksi. Simuloinnit on suoritettu FDS-ohjelman (engl. Fire Dynamics Simulator) neljännellä kehitysversiolla. Savunpoiston toimintatapa keskustunnelissa on esitetty kuvassa 6. Korvausilma tuodaan palo-osastoon osaston molemmissa päissä palo-osaston seinien alaosassa olevien korvausilmaluukkujen kautta. Savukaasut poistetaan palo-osaston poistoilmakanavassa olevien savunpoistopeltien kautta, jotka ovat kuvassa 6 merkitty punaisella värillä.
15 Kuva 6. Korvausilman tuonti ja savunpoisto keskustunnelissa. Savunpoistopellit näkyvät kuvassa punaisina. Savunpoistossa käytetään sekä valvonta- että valvomattoman alueen korvausilma- ja savunpoistopuhaltimia. Näin painehäviöt saadaan pysymään kohtuullisina. Tulipalotilanteessa korvausilman tuonti ja savunpoisto voidaan hoitaa kahta eri kautta myös keskustunneleissa rinnakkaistunneliperiaatetta käytettäessä. Karakterisointitunnelilenkissä käytetään samaa periaatetta. Palo-osastoihin asennetaan paine-anturit, joiden avulla palo-osasto pidetään alipaineisena ympäröiviin palo-osastoihin nähden. Näin estetään savun leviäminen muihin paloosastoihin. Loppusijoitustunneleiden savunpoisto poikkeaa keskustunnelien järjestelystä. Korvausilma tuodaan normaalia ilmastointikanavia pitkin tunnelin suulle ja poistetaan tunnelin perältä poistoilmakanavaa pitkin. Savunpoistopuhallin on loppusijoitustunnelin suulla poistoilmakanavassa.
16 5 ILMASTOINNIN MITOITUS 5.1 Ilmastointijärjestelmä 5.1.1 Puhaltimet Maan päällä normaalissa käyttövaiheessa käytettävien puhaltimien tehtävä on tuottaa tarvittava määrä ilmaa loppusijoitustiloihin. Valvomattoman alueen puhaltimet sijaitsevat IV-kuilurakennuksessa ja valvonta-alueen kapselointilaitoksessa tai käyttörakennuksessa. Painetta korotetaan tarvittaessa pysyviin kanaviin tai kangaskanaviin asennettavilla aksiaalipuhaltimilla. Tuloilmapuhallin ja korvausilmapuhallin ovat erillisiä, samoin poistoilma- ja savunpoistopuhaltimet. 5.1.2 Ilmastointikoneikko Ilmastointikoneikko suodattaa, kuivaa, lämmittää ja ottaa talteen lämpöä poistoilmasta. Markkinoilta löytyvät ilmastointikoneikot pystyvät käsittelemään suurimmillaan noin 30 m 3 /s ilmavirtoja. Loppusijoitustilojen valvomattoman alueen ilmastoinnissa tarvitaan vähintään kolme koneikkoa ja valvonta-alueella yksi. Valvomattoman alueen ilmastointikoneikot sijaitsevat IV-kuilurakennuksessa ja valvonta-alueen koneikko joko kapselointilaitoksessa tai käyttörakennuksessa. 5.1.3 Kanavat ja kanavaosat Karakterisointitunnelilenkin kanavan halkaisija on 1,8 m ja muiden keskustunnelien 1,6 m. Loppusijoitustunnelin perälle johdetaan 0,3 m halkaisijainen poistoilmakanava. Ilma puhalletaan tunneliin tunnelin suulta. Keskustunnelien kanavien paloeristyksen paksuus on 100 mm. Asennusvaiheessa kanavat eristetään alhaalla ja nostetaan sen jälkeen kannattimien päälle. Kanavien liitoskohta joudutaan kuitenkin eristämään vasta kanavien ollessa jo ylhäällä. Liitoskohdan eristämistä varten tulo- ja poistoilmakanavien väliin pitää jättää tilaa asennuksen suorittavalle henkilölle. Kuvassa 7 on esitetty keskustunnelin poikkileikkaus, jossa kanavien välille on jätetty tilaa 500 mm.
17 Kuva 7. Keskustunnelin poikkileikkaus, jossa on 1800 mm halkaisijaltaan olevat kanavat. Kanavien väliin on jätetty asennusta varten 500 mm:n rako. 5.2 Ilman epäpuhtaudet Loppusijoitustiloihin kulkeutuvasta radonkaasusta suurin osa on peräisin kalliosta, vuotovesistä ja tunnelin pohjalle levitettävästä sorasta. Lähteen (Vesterbacka & Arvela 1998) mukaan Olkiluodon todennäköisin radonin kokonaislähdevoimakkuus, kun auki olevien tilojen määrä on 560 000 m 2, on 25 MBq/h vaihteluvälin ollessa 8 150 MBq/h. Tuulettamattoman kalliotilan todennäköisin radonpitoisuus on 6 kbq/m 3 arvojen vaihdellessa välillä 1,8 34 kbq/m 3. Kaavan (1) avulla on laskettu ilmanvaihtokertoimen arvo eri radonpitoisuuksilla ja radonin kokonaislähdevoimakkuuksilla, kun loppusijoitustilan auki oleva tilavuus on 560 000 m 3 ja korkein sallittu radonpitoisuus 400 Bq/m 3. Ilmanvaihtokertoimien arvot on esitetty taulukossa 3.
18 Taulukko 3. Ilmanvaihtokertoimet kalliotilan radonpitoisuuden muuttuessa. Kokonaislähdevoimakkuus 25 MBq/h Kokonaislähdevoimakkuus 150 MBq/h Radonpitoisuus (Bq/m 3 ) Ilmanvaihtokerroin n (1/h) Ilmanvaihtokerroin n (1/h) 400 0,11 0,67 350 0,13 0,77 300 0,15 0,89 250 0,18 1,07 200 0,22 1,34 150 0,30 1,79 100 0,45 2,68 Todennäköisimmällä kokonaislähdevoimakkuudella laskettuna radonin määrä kalliotiloissa ei mitoita ilmanvaihtoa. Pahimmillaan radonin määrä voi kuitenkin nousta niin suureksi, että se mitoittaa ilmanvaihdon. Mitoituksessa käytetään ilmanvaihtokerrointa 0,5 1/h. Kuorma-autoja tarvitaan loppusijoitustilojen valvomattomalla alueella eniten, kun tiloja louhitaan ja loppusijoitustunneleita täytetään samanaikaisesti. Lisäksi samaan aikaan voidaan kuljettaa esimerkiksi rakennusmateriaaleja tai porausmursketta maan pinnalle. Kaikki kuorma-autot kulkevat pääosin samaa reittiä. Taulukossa 4 on esitetty arvio siitä, kuinka paljon louhinnassa tarvitaan kuormaautokuljetuksia. Jos louhinta suoritetaan kaksivuorotyönä ja yhden vuoron aikana louhitaan kalliota yhden katkon verran, tarvitaan 3,7 louhekuljetusta tunnissa. Kuorma-auton kapasiteetin on oletettu olevan 15 tonnia. Lähteen (Kirkkomäki 2004) mukaan loppusijoitustunnelin täyttönopeus on noin yksi tunnelimetri tunnissa. Tämä täyttönopeus tarkoittaa sitä, että täyteainetta kuljetetaan loppusijoitustunneliin suurimmillaan kaksi säiliöautokuormallista tunnissa. Lisäksi muiden materiaalien kuljetusta varten tarvitaan yksi kuorma-autokuljetus tunnissa. Suurimmillaan kuorma-autokuljetuksia tarvitaan loppusijoitustiloissa noin 6,7 autoa tunnissa. Tämä tarkoittaa sitä, että jokaisen kuljetusreitin varrella olevan palo-osaston läpi kulkee kuorma-auto 13,4 kertaa tunnissa. Normaalissa käytössä radon mitoittaa ilmanvaihdon. Louhintavaiheiden aikana tiloja tuuletetaan enemmän, koska liikenne tunneleissa kasvaa. Euro 3-päästönormin mukaisesti laskiessa selvästi suurimman ilmanvaihtotarpeen aiheuttaisi radonin sijaan hiukkaspäästöt. Taulukon 4 mukaisella ajoneuvotiheydellä laskettaessa pelkästään ajotunnelin tuulettamiseen tarvittaisiin ilmaa 50 m 3 /s. Vuonna 2006 voimaan tulevassa Euro 4-päästönormissa hiukkaspäästöt ovat vähentyneet yhteen viidesosaan aikaisempaan normiin verrattuna. Tämä saavutetaan ottamalla käyttöön muun muassa hiukkassuodattimet.
19 Euro 4:n mukaan laskettaessa hiukkasten tuuletukseen tarvittava ilmamäärä on samaa luokkaa tilojen radonpitoisuuden alentamiseen tarvittavan ilmamäärän kanssa. Ilmamäärien laskenta on suoritettu siten, että ajoneuvojen hiukkaspäästöjen on oletettu olevan Euro 4-tason mukaisia. Muiden pakokaasukomponenttien pitoisuudet on laskettu Euro 3-normin mukaisesti. Taulukko 4. Loppusijoitustilojen louhinnan ajoneuvotarve. Keskustunnelin poikkipinta-ala (m 2 ) 36,27 Katkon pituus (m) 4 Katkojen lukumäärä 2-vuorotyössä/vrk (kpl) 2 Louhintatilavuus vuorokaudessa (m 3 ) 290 Kallion tilavuuspaino (t/m 3 ) 2,7 Louhintatonnit/vrk (t) 783 Kuormausaika (h) 14 Kuormausteho (t/h) 56 Kuorma-auton kapasiteetti (t) 15 Louhekuljetuksia tunnissa (1/h) 3,7 Kaavaa (3) on käytetty arvioitaessa ajoneuvojen aiheuttamia lämpökuormia. Lämpökuormat jäävät pieniksi taulukossa 4 esitetyn tarkastelun mukaisilla ajoneuvomäärillä. 5.3 Ilmastointijärjestelmän mitoitus käyttövaiheessa 5.3.1 Yleiset toimintaperiaatteet Loppusijoitustilojen ilmastoinnissa voidaan hyödyntää ONKALOn louhinnassa käytettäviä puhaltimia. Lähteen (Flodin 2004) mukaan ONKALOn ajotunnelin louhinnassa käytetään kolmea 90 kw:n puhallinta, joiden paineenkorotus on noin 1500 Pa 40 m 3 /s ilmavirralla. Lisäksi ONKALOn tasojen -420 ja -520 louhinnassa käytetään yhteensä kolmea 37 kw:n puhallinta. Laskennassa on oletettu, että kaikissa tiloissa ilmanvaihtokerroin on vähintään 0,5 1/h radonin pitoisuuden pitämiseksi hengitysilman raja-arvojen alapuolella. Käyttämättömänäkin olevia tiloja ei voi jättää täysin ilman ilmanvaihtoa, koska vuotoveden mukana tiloihin vapautuva metaani voi ajan kuluessa muodostaa ilman kanssa räjähdysherkän seoksen. Metaanin pitoisuuden laimentamisessa tarvittava ilmanvaihtokerroin on kuitenkin hyvin pieni, luokkaa 0,01 1/h. Kun tutkimustunnelilenkin varrella aloitetaan keskustunnelien louhinta, korvataan tuloja poistoilmakanavat samansuuruisilla kangaskanavilla 100 metrin säteellä louhintaperästä. Tällä tavalla estetään pysyvien kanavien vaurioituminen räjäytyksissä. Laskennassa käytettyjen kangaskanavien halkaisija keskustunnelissa on 1600 mm ja loppusijoitustunnelissa 1200 mm.
20 Keskustunnelien louhinnan edettyä pidemmälle korvataan tutkimustunnelilenkissä ja keskustunnelien alkupäässä olevat kangaskanavat pysyvillä kierresaumakanavilla noin 200 metrin pituisissa osissa. Keskustunnelien suulle voidaan rakentaa louhinnan edetessä esimerkiksi pressuovi, joka estää räjähdyskaasujen pääsy tutkimustunneliin. Loppusijoitustunneleita louhittaessa keskustunnelien kanavat korvataan louhittavien tunnelien kohdalta kangaskanavilla. Tuloilma johdetaan tunnelin perälle 1200 mm halkaisijaisella kangaskanavalla. Tuloilmapuolen paineenkorotuspuhallin sijaitsee pelti- ja kangaskanavan liittymäkohdassa. Suodattimella varustettu poistoilmapuhallin on tunnelin suulla. Kuvassa 8 on esitetty ilmastointikanavien sijoitus tunnelien risteyskohdasta valvomattoman alueen teknisten tilojen läheltä. Kuvasta voidaan nähdä, että kanavan ylityskohdassa tunnelin kattoa pitää korottaa. Kuvassa 9 on esitetty samanlainen tilanne valmistelevassa vaiheessa eteläisen keskustunnelin ja karakterisointitunnelilenkin risteyksessä. Kuva 8. Tyypillinen kanavaylitys keskustunnelissa, joka vaatii lisätilaa. Kuva on tason -420 m valvomattoman alueen tutkimustiloista.