Kemiallinen myrkyllisyys käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksessa

Työ r a p o r t t i 9 9-1 8 Kemiallinen myrkyllisyys käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksessa Eerikki Raiko Henrik Nordman Maaliskuu 1999 POSIVA OY Mikonkatu 15 A, FIN-001 00 HELSINKI, FINLAND Tel. +358-9-2280 30 Fax +358-9-2280 3719

Työraportti 99-1 8 Kemiallinen myrkyllisyys käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksessa Eerikki Raiko Henrik Nordman Maaliskuu 1999

Työraportti 99-1 8 Kemiallinen myrkyllisyys käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksessa Eerikki Raiko Posiva Oy Henrik Nordman VTT Energia Maaliskuu 1999 Pesivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia.

-ttr ENERGIA Suorittajaorganisaatio ja osoite VTT Energia, Ydinenergia PL 1604 02044 VTT Projektipäällikkö Tutkija Henrik Nordman Ciaarinumero ENE4-52T -98 Tilaaja Posiva Oy 1~1. ~ ~ Mikonkatu 15 A l3.0y.191~ 00100 HELSINKI Tilaajan yhdyshenkilöt Aimo Hautojärvi Tilaus- tai viitenumero 9787/98/ AJH Projektin nimi ja suoritetunnus Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen turvallisuus (N9SU0022; 45POSIV A983) Raportin numero ja sivumäärä ENE4/17/99 37 s. Päiväys 31.3.1999 Raportin nimi ja tekijät KEMIALLINEN MYRKYLLISYYS KÄYTETYN YDINPOLTIOAINEEN LOPPUSIJOITUKSESSA Eerikki Raiko (Posiva Oy), Henrik Nordman Tiivistel mä Raportti tarkastelee käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituskapseleista vapautuvien aineiden kemiallisia ympäristövaikutuksia pitkällä aikavälillä. Loppusijoitettavan kapselin aineista on tehty kokonaisarvio. Joukosta on eroteltu määrältään ja myrkyllisyydeltään merkitykselliset aineet ja niiden vapautumista ja kulkeutumista pohjaveden mukana on tarkasteltu liukoisuuksien sekä tietokoneohjelmilla tehtyjen vapautumis- ja kulkeutumislaskujen avulla. Laskelmien tuloksina saatuja pitoisuuksia on verrattu säädöksissä määriteltyihin talousveden suurimpiin sallittuihin ainepitoisuuksiin. Analyysin mukaan kemiallinen myrkyllisyys ei ole merkittävä tekijä käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksessa. Tämä tutkimus on tehty Posiva Oy:ssä liittyen käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituslaitoksen YV A-menettelyyn. Vastuullisena tekijänä ja raportin laatijana on ollut tekn. yo Eerikki Raiko. Työtä on valvonut dipl.ins. Lauri Pöllänen. Tekn.lis. Henrik Nordman VTT Energiasta on suorittanut kulkeutumisanalyysien laskelmat sekä osallistunut työn valvontaan. Lisäksi VTT Energia on tarkistanut raportin lopullisen version. Raportin päävastuullinen laatija ~)/~ Tutkija Henrik Nordman Hyväksynyt Tutkimuspäällikkö Lasse Mattila Tarkastanut ~kk~~ Julkisuus julkaistaan Posiva Oy:n työraporttina 99-18

KEMIALLINEN MYRKYLLISYYS KÄYTETYN YDIN POLTTOAINEEN LOPPUSIJOITUKSESSA TIIVISTEL MÄ Raportti tarkastelee käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituskapseleista vapautuvien aineiden kemiallisia ympäristövaikutuksia pitkällä aikavälillä. Loppusijoitettavan kapselin aineista on tehty kokonaisarvio. Joukosta on eroteltu määrältään ja myrkyllisyydeltään merkitykselliset aineet ja niiden vapautumista ja kulkeutumista pohjaveden mukana on tarkasteltu liukoisuuksien sekä tietokoneohjelmilla tehtyjen vapautumis- ja kulkeutumislaskujen avulla. Laskelmien tuloksina saatuja pitoisuuksia on verrattu säädöksissä määriteltyihin talousveden suurimpiin sallittuihin ainepitoisuuksiin. Analyysin mukaan kemiallinen myrkyllisyys ei ole merkittävä tekijä käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksessa. Avainsanat käytetty ydinpolttoaine, loppusijoitus, kemiallinen myrkyllisyys, liukoisuus, vapautuminen, pohjavesi, kulkeutuminen

CHEMICAL TOXICITY IN FINAL DISPOSAL OF SPENT NUCLEAR FUEL ABSTRACT This report studies the chemical long-term environmental effects of the substances released from the canisters of spent nuclear fuel. An overall inventory has been made of all the chemical elements contained in the canister materials and spent fuel. The release and transport of the most toxic and abundant elements have been studied with calculations using the solubilities of elements or with analyses carried out by computer codes. The resulting concentrations of elements in groundwater have been compared to the concentration limits defined in the pertinent authority requirements for drinking water. The results show that the chemical toxicity is not a significant factor as regards the safety of the final disposal of spent nuclear fuel. Keywords: spent nuclear fuel, final disposal, chemical toxicity, solubility, release, groundwater, transport

1 SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ Sivu ABSTRACT ALKUSANAT 3 1 JOHDANTO 4 2 KÄYTETYN YDINPOLTTOAINEEN LOPPUSIJOITUS SUOMESSA 5 3 VEDENLAATUAKOSKEVATMÄÄRÄYKSET 7 4 LOPPUSIJOITUSKAPSELIN MATERIAALIT 9 4.1 Loppusijoituskapselin rakennemateriaalit 9 4.2 Polttoainenippujen rakennemateriaalit 11 4.2.1 Olliluoto 11 4.2.2 Loviisa 11 4.3 Käytetyn ydinpolttoaineen sisältämät materiaalit 12 4.4 Kapselin ja sen sisällön koostumuksen valinta 12 5 TARKEMPAA TARKASTELUAVAATIVIEN AINEIDEN KARSINTA 15 5. 1 V aarattomat tai biosfåärissä yleiset aineet 15 5.2 Kallioperässä yleisesti esiintyvät aineet 15 5. 3 Määrältään vähäiset aineet 15 5. 4 J alokaasut 16 5. 5 Säteilymyrkylliset aineet 16 5. 6 Yhteenveto pois tarkastelusta karsitoista aineista 16 5. 7 Tarkempaa tarkastelua vaativat aineet 16 6 LIUKOISUUDET 19 6.1 TILA-99-raportin mukaiset liukoisuudet 19 6. 2 Muut lähteet 19 6. 3 Mittaustuloksiin perustuvat arviot 19 6. 4 Kemialliset analogiat 19 6. 5 Yhteenveto liukoisuuksista 20 7 LASKUMENETELMÄT 22 7.1 REPCOM 22 7. 2 Kulkeutuminen kallioperässä 23 7.3 WELL-96 24 8 VAPAUTUMINEN LOPPUSIJOITUSKAPSELISTA 25 8.1 Aineiden sijainti loppusijoituskapselissa 25 8. 2 Laskuja varten tehtäviä oletuksia 25 8. 3 Liukoisuusrajoitteisten aineiden kulkeutuminen 26 8.3.1 Lyijyn muodostuminen 26 8. 4 Ei -liukoisuusrajoitteiset aineet 27 8.4.1 Torium 29 9 PITOISUUDET KAIVOVEDESSÄ 31

2 10 YHTEENVETO 11 LÄHTEET 33 34 Liite 1. Olkiluodon voimalaitoksen polttoainenipun rakennemateriaalien 36 alkuainekoostumus Liite 2. Loviisan voimalaitoksen polttoainenipun rakennemateriaalien 37 alkuainekoostumus

3 ALKUSANAT Tämä tutkimus on tehty Posiva Oy:ssä liittyen käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituslaitoksen YVA-menettelyyn. Vastuullisena tekijänä ja raportin laatijana on ollut tekn. yo Eerikki Raiko. Työtä on valvonut dipl.ins. Lauri Pöllänen. Tekn.lis. Henrik Nordman VTT Energiasta on suorittanut kulkeutumisanalyysien laskelmat sekä osallistunut työn valvontaan. Lisäksi VTT Energia on tarkistanut raportin lopullisen version.

4!JOHDANTO Suomessa sijaitsevista ydinvoimalaitoksista kertyvä käytetty ydinpolttoaine on tarkoitus loppusijoittaa syvälle Suomen kallioperään [ 1]. Loppusijoituksen perusratkaisu on esitetty viitteissä [1,2] ja viimeisimmät turvallisuusanalyysit viitteissä [3,4]. Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksessa tärkein tavoite on radionuklidien pysyvä eristäminen biosfääristä. Suuri osa loppusijoitukseen liittyvästä tutkimuksesta koskee juuri radionuklideja ja niiden säteilyn aiheuttamia vaikutuksia. Loppusijoitettavat materiaalit sisältävät kuitenkin myös kemiallisesti myrkyllisiä pysyviä aineita. Niiden myrkyllisyys säilyy ajan mittaan vakiona, toisin kuin radioaktiivisilla aineilla, jotka hajoavat vähitellen. Kemiallisesti myrkyllisten aineiden määrä jopa lisääntyy ajan mittaan: esimerkiksi aktinidien hajoamisessa syntyy pysyvää lyijyä, joka on kemiallisesti myrkyllistä. Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituslaitoksen ympäristövaikutusten arviointiohjelmassa mainitaan, että loppusijoitetuista materiaaleista muuten kuin säteilyn kautta aiheutuvia terveysvaikutuksia arvioidaan pääpiirteittäin [1]. Kemiallisesti myrkyllisiin aineisiin liittyvä turvallisuusanalyysi tehdään mahdollisimman samalla tavoin kuin radionuklidien vastaava analyysi [3,4]. Aluksi karsitaan joukosta pois aineet, jotka myrkyttömyytensä tai vähäisen määränsä ansiosta voidaan todeta riittävän harmittomiksi. Jäljelle jääneiden myrkyllisten aineiden vapautumista ja kulkeutumista tarkastellaan laajemmin mm. FTRANS- ja REPCOM-tietokoneohjelmilla tehtyjen laskujen ja liukoisuusrajoihin perustuvien laskujen avulla. Lopuksi pohjaveteen vapautuneiden myrkyllisten aineiden pitoisuuksia verrataan mm. Suomen säädöksissä määriteltyihin talousveden enimmäispitoisuuksiin. Kemiallisesti myrkyllisten aineiden vapautumislaskelmissa käytetään konservatiivisia arvioita monessa kohdassa. Alkuaineiden liukoisuudet, kallioperän veden virtausnopeus ja käytetyn ydinpolttoaineen kaasuaukko-osuus arvioidaan realistisia arvioita suuremmiksi, aineiden pidättyminen kallioperään arvioidaan realistisia arvioita pienemmäksi, pohjaveden suolaisuus oletetaan kunkin aineen liukoisuuden kannalta epäedulliseksi, kulkeutumislaskuissa käytetään skenaariota, jossa loppusijoituskapselin suojaava vaikutus häviää kokonaan 10000 vuoden jälkeen jne. Laskelmien tuloksina saatavat pitoisuudet ovat näin ollen suurempia kuin realistiset arviot, mutta ne jäävät siitä huolimatta erittäin pieniksi. Vaikka tässä raportissa käytettävät arviointimenetelmät ovat mahdollisimman samankaltaisia kuin käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen turvallisuusanalyyseissä, ei kyseessä ole yhtä perusteellinen turvallisuusanalyysi. Mahdolliset eroavuudet tämän raportin ja turvallisuusanalyysien välillä johtuvat tässä tarkastelussa tehdyistä yksinkertaistavista oletuksista.

5 2 KÄYTETYN YDINPOLTTOAINEEN LOPPUSIJOITUS SUOMESSA Suomen ydinvoimalaitosten käytetty ydinpolttoaine loppusijoitetaan noin 500 m:n syvyyteen peruskallioon. Loppusijoituspaikkakunta valitaan vuonna 2000 neljän tutkimuspaikkakunnan eli Eurajoen, Kuhmon, Loviisan ja Äänekosken joukosta. Käytön jälkeen ydinpolttoainetta varastoidaan ydinvoimalaitosten yhteydessä olevissa välivarastoissa 20-40 vuotta. Sen jälkeen polttoaineniput kuljetetaan loppusijoituspaikkakunnalle kapseloitaviksi ja loppusijoitettaviksi. Kapselointi eli polttoainenippujen pakkaaminen kupari-rautasäiliöihin tapahtuu kapselointilaitoksessa. Kapselit lasketaan kapselointilaitoksesta hissillä alas maan alle louhittuun loppusijoitustunnelistoon. Kuvassa 2-1 on esitetty loppusijoituslaitoksen maanpäälliset ja maanalaiset osat. Kuva 2-1. Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus peruskallioon. Kapselit sijoitetaan yksittäin loppusijoitustunnelien lattiassa oleviin pystysuoriin reikiin ja ympäröidään bentoniittisavella, joka estää tehokkaasti veden virtauksen ja suojaa kapselia mahdollisilta kallion liikkeiltä. Loppusijoituksen jälkeen tunnelit täytetään bentoniitin ja tunnetien louhinnan yhteydessä syntyneen kivimm skeen seoksella. Loppusijoitustilojen sulkemisen yhteydessä tunnelit tukitaan myös betonitulpilla useista kohdista. Kuvassa 2-2 on esitetty loppusijoitustunnelin poikkileikkaus.

6 Tunnelin täyteaine (kiv.irnurske ja bentoniitti) B entoniitti Loppusijoituskapseli Kuva 2-2. Loppusijoitustunnelin poikkileikkaus. Kuparista ja pallografrittiraudasta valmistettavien loppusijoituskapselien rakenne esitellään kohdassa 4.1.

7 3 VEDEN LAATUA KOSKEVAT MÄÄRÄYKSET Sosiaali- ja terveysministeriön päätöksessä [5] on määritelty enimmäispitoisuuksia talousvetenä käytettävän veden epäpuhtauksille. Selkeästi myrkyllisille aineille (taulukko 3-1) rajat on asetettu terveydellisin perustein, mutta useille muille aineille (taulukko 3-2) rajat on asetettu veden makuun, väriin tai hajuun vaikuttavien ominaisuuksien takia. Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituskapseleista veteen mahdollisesti liukenevien myrkyllisten aineiden pitoisuuksia on havainnollista verrata talousveden suurimpiin sallittuihin pitoisuuksiin, mutta ei välttämättä taulukon 3-2 aineiden osalta, koska ko. rajat eivät perustu terveydellisiin haittoihin. Taulukoissa 3-1 ja 3-2 ei ole lueteltu kaikkia päätöksessä mainittuja aineita, vaan niihin on koottu päätöksessä mainitut, loppusijoituskapselin rakenteeseen ja sisältöön kuuluvat alkuaineet. Enimmäispitoisuudet on ilmoitettu myös yksikössä molli, koska se on yleisesti käytetty yksikkö liukoisuuksien yhteydessä. Taulukko 3-1. Talousveden terveydelliset laatuvaatimukset [5]. Alkuaine Lyhenne Enimmäispitoisuus Enimmäispitoisuus (mg/1) (molli) Antimoni Sb 0,005 4 1 10-8 Arseeni As 0,01 1 3 10-7 Barium Ba 0,7 5 1 10-6 Boori B 0,3 28 10-5 Elohopea Hg 0,001 5,0 10-9 Kadmium Cd 0,005 44 10-8 Kromi Cr 0,05 96 10-7 Lyijy Pb 0,01 4 8 10-8 Molybdeeni Mo 0,07 7,3 10-7 Nikkeli Ni 0,02 34 10-7 Seleeni Se 0,01 1,3 10-7 Taulukko 3-2. Talousveden teknis-esteettiset laatuvaatimukset [5]. Alkuaine Lyhenne Enimmäispitoisuus Enimmäispitoisuus (mg/1) (molli) Alumiini Al 0,2 74 10-6 Hopea Ag 0,01 9,3 10-8 Kupari Cu 1,0 1 6 10-5 Magnesium Mg 50 2 1-1 o- 3 Mangaani Mn 0,05 9 1 10-7 Rauta Fe 0,2 36 10-6 Sinkki Zn 3,0 46 10-5

8 Ylläolevat pitoisuusrajat noudattavat pääsääntöisesti Maailman terveysjärjestö WHO:n suosituksia [6]. Ainoastaan kadmiumin (0,003 mg/1), mangaanin (0,1 mg/1) ja raudan (0,3 mg/1) pitoisuusrajat ovat WHO:n suosituksissa Suomen säädöksiin nähden erilaiset. WHO on antanut teknis-esteettisten vaikutuksiin perustuvien maksimipitoisuussuositusten lisäksi terveysvaikutuksiin perustuvat maksimipitoisuussuositukset kuparille (2 mg/1) ja mangaanille (0,5 mg/1) [6]. WHO on antanut myös kemialliseen myrkyllisyyteen perustuvan suosituksen juomaveden uraanipitoisuudesta (0,002 mg/1) [7]. Uraanin kemialliseen myrkyllisyyteen perustuva maksimipitoisuussuositus sisältää epävarmuustekijöistä johtuen hyvin suuren turvallisuusmarginaalin, mutta on siitä huolimatta varsin alhainen verrattuna uraanin säteilyvaikutuksien perusteella tehtyyn maksimipitoisuussuositukseen (0,14 mg/1) [6], jossa on oletettu juomavedestä aiheutuvan 0,1 msv:n vuotuinen säteily annos. Uraanin maksimipitoisuussuositus 0,002 mg/1 vastaa arvoa 8,4 10-9 mol/1.

9 4 LOPPUSIJOITUSKAPSELIN MATERIAALIT 4.1 Loppusijoituskapselin rakennemateriaalit Käytetty ydinpolttoaine loppusijoitetaan noin 500 m:n syvyyteen peruskallioon kuparirautakapseleissa. Kapseleissa on massiivinen rautasydän, jota ympäröi kuparista valmistettu kapseli. Käytetyt ydinpolttoaineniput sijoitetaan kapselin sydämessä oleviin 12 reikään. Olkiluodon ja Loviisan ydinvoimalaitoksien käytetylle polttoaineelle tarkoitetut kapselit poikkeavat toisistaan hyvin vähän: nipuille tarkoitetut reiät ovat eri muotoiset ja Olkiluodon nipuille tarkoitetut kapselit ovat Loviisan nipuille tarkoitettuja kapseleita pidempiä. Olkiluodon polttoaineelle tarkoitettujen kapselien rautaosa painaa 14 tonnia ja kupatiosa 7,5 tonnia, Loviisan polttoaineelle tarkoitettujen kapselien vastaavat arvot ovat 10,8 tonnia ja 5,8 tonnia [8]. Olkiluodon ja Loviisan ydinvoimalaitosten polttoainenippujen loppusijoituskapselit on esitetty kuvassa 4-1. Kuva 4-1. Olkiluodon ja Loviisan ydinvoimalaitosten käytetyn polttoaineen loppusijoituskapselit. Kapselin pallografrittiraudasta valmistetun sisäosan alkuainejakauma esitetään taulukossa 4-1.

10 Taulukko 4-1. Loppusijoituskapselin rautasydämen alkuainejakauma [9]. Alkuaine Lyhenne Osuus (massa%) Rauta Hiili Magnesium Pii Mangaani Nikkeli Fe c Mg Si Mn Ni 92,8 3,2 0,05 2,15 0,8 1,0 Kapselin ulompi, kuparista valmistettu osa on hyvin puhdasta kuparia. Kuparin puhtaudelle on asetettu taulukon 4-2 mukainen puhtaustavoite. Taulukko 4-2. Loppusijoituskapselin kupariosan tavoitekoostumus [10,11]. Alkuaine Lyhenne Osuus Kupari Rikki Happi Fosfori Vety Cu s 0 F H > 99,99% <8ppm <3 ppm 40-60 ppm < 0,6 ppm

11 4.2 Polttoainenippujen rakennemateriaalit 4.2.1 Olkiluoto Olkiluodon ydinvoimalaitoksen polttoaineniput sisältävät tyypistä riippuen vaihtelevan määrän polttoainesauvoja. Rakennemateriaaleja on keskimäärin seuraavasti [12]: Taulukko 4-3. Olkiluodon ydinvoimalaitoksen polttoainenippujen rakennemateriaalit (Lähteessä [12] annettuihin polttoainenippujen materiaalien määriin on tässä taulukossa lisätty polttoainekanavien materiaalit, jotka loppusijoitetaan nykyisten suunnitelmien mukaan yhdessä polttoainenippujen kanssa). Materiaali Määrä (kg/tu) Zircaloy-2 Zircaloy-4 Ruostumaton teräs (SIS 2333) Inconel X-7 50 275 204 48 6 Rakennemateriaalien alkuainekoostumukset esitetään liitteessä 1. 4.2.2 Loviisa Loviisan ydinvoimalaitoksessa on käytetty kahta erilaista polttoainenipputyyppiä; tavallisia sekä säätäsauvojen jatkona olevia nippu ja. Molemmista tyypeistä on olemassa uudemmat ja vanhemmat versiot. Näiden neljän eri polttoainenippumallin sisältämät rakennemateriaalit ovat seuraavanlaiset [13]: Taulukko 4-4. Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoainenippujen rakennemateriaalit Materiaali Vanha Uusi tavallinen Vanha Uusi followertavallinen ntppu follower -nippu ntppu ruppu (kg/nippu) (kg/nippu) (kg/nippu) (kg/nippu) ZrNb1% 40,280 41,200 40,280 41,200 ZrNb2.5% 17,630 13,268 17,630 13,268 Ruostumaton teräs 19,880 18,645 24,290 23,055 Rakennemateriaalien alkuainekoostumukset esitetään liitteessä 2.

12 4.3 Käytetyn ydinpolttoaineen sisältämät materiaalit Polttoainesauvojen sisältämien käytettyjen ydinpolttoainetablettien alkuainejakauma on sekä Olkiluodon että Loviisan ydinvoimalaitoksen tapauksessa laskettu ORIGEN2- tietokoneohjelmalla [12 (s. 12-13), 13 (s. 11)]. Kemiallisen myrkyllisyyden tarkastelun osalta käytetylle ydinpolttoaineelle käytetään perustapausten mukaisia oletuksia, eli Olkiluodon polttoaineelle 3,3 %:n U-235-väkevöintiastetta ja poistopalamaa 36 MWdlkgU sekä Loviisan polttoaineelle 3,6 %:n U-235-väkevöintiastetta ja poistopalamaa 36 MWdlkgU. 4.4 Kapselin ja sen sisällön koostumuksen valinta Loppusijoituskapselin alkuainejakauma on laskettu Olkiluodon nippuja sisältävälle kapselille ja kutakin Loviisan neljää eri nipputyyppiä sisältäville kapseleille. Nippujen sisältämän varsinaisen käytetyn ydinpolttoaineen alkuainejakaumaa on arvioitu siten, että kullekin alkuaineelle on valittu konservatiivisesti suurin mahdollinen määrä nippujen reaktorista poistamisen ja 10 6 vuoden välillä. Useiden radioaktiivisten aineiden määrä on suurimmillaan heti polttoaineen käytöstäpoistao jälkeen ja vähenee sen jälkeen nopeasti. Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoittaminen toteutetaan Suomessa aikaisintaan 20 vuotta käytöstäpoistao jälkeen, joten tiettyjen aineiden tapauksessa päädytään tällä tavoin varsin konservatiivisiin arvioihin. Erityisesti aktinidien hajoamissarjojen lopputuotteiden eli lyijyn ja vismutin määrät lisääntyvät ajan myötä, ja niiden määräksi on valittu 10 6 vuoden kuluttua vallitseva määrä. Useilla isotoopeilla, jotka ovat aktinidien hajoamissarjojen välituotteita, on määrä suurimmillaan jossakin 0 ja 10 6 vuoden vähllä käytöstäpoistao jälkeen. Tässä yhteydessä tarkasteltavista aineista kuitenkin ainoastaan amerikiumilla, neptuniumilla ja radiumilla on niiden kaikkien isotooppien massojen summa suurimmillaan 0 ja 10 6 vuoden välillä. Kunkin alkuaineen määrälle on lopuksi valittu erikseen suurin mahdollinen arvo. Yksinkertaistetusti tämä tarkoittaa sitä, että tarkastellaan Olkiluodon käytettyä ydinpolttoainetta sisältävää kapselia, jossa on mukana Loviisan polttoainenippujen metallirakenteita. Alkuainejakauma esitetään taulukossa 4-5.

13 Taulukko 4-5. Loppusijoituskapselin ja sen sisällön alkuaineiden suurimmat määrät. Alkuaine Alumiini Amerikium Antimoni Barium Boori Bromi Cerium Cesium Curium Dysprosium Europium Fosfori Gadolinium Germanium Hafnium Happi Helium Hiili Hopea Indium Jodi Kadmium Kalsium Kloori Koboltti Kromi Krypton Kupari Lantaani Lyijy Magnesium Mangaani Molybdeeni Natrium Neodyymi Neptunium Nikkeli Niobium Palladium Pii Plutonium Praseodyymi Prometium Radium Jatkuu seuraavalla sivulla Lyhenne Al Am Sb Ba B Br Ce Cs Cm Dy Eu p Gd Ge Hf 0 He c Ag In 1 Cd Ca Cl Co Cr Kr Cu La Pb Mg Mn Mo Na Nd Np Ni Nb Pd Si Pu Pr Pm Ra Määrä (g/kapseli) 126 3350 73 6660 0,2 62 6060 6720 177 3,8 423 12 346 1,5 243 288000 654 448000 239 5,3 564 293 70 14 102 51300 831 7500000 2820 904 7010 113000 7710 12 9280 4700 160000 10800 3490 302000 22200 2580 256 4

Rauta Fe 13100000 Rikki s 58 Rodium Rh 989 Rubidium Rb 820 Ruteeni Ru 6910 Samarium Sm 1970 Seleeni Se 128 Strontium Sr 2000 Tantaali Ta 13 Teknetium Te 1760 Telluuri Te 1210 Terbium Tb 7 Tina Sn 15700 Titaani Ti 1180 Torium Th 459 Typpi N 131 Uraani u 2050000 Vanadiini V 0,1 Vismutti Bi 919 Volframi w 40 Xenon Xe 11900 Yttrium y 1050 Zirkonium Zr 1010000 14

15 5 TARKEMPAA TARKASTELUA VAATIVIEN AINEIDEN KARSINTA 5.1 Vaarattomat tai biosfäärissä yleiset aineet Loppusijoituskapseli sisältää useita vaarattornia tai elollisessa luonnossa hyvin yleisesti esiintyviä aineita, joiden mahdollisella vapautumisella loppusijoituskapselista ei ole merkitystä. Taulukon 4-3 aineista tällaisia ovat happi, helium, hiili, kalsium, magnesium ja typpi. Näitä aineita ei kemiallisen myrkyllisyyden puolesta käsitellä tämän enempää. 5.2 Kallioperässä yleisesti esiintyvät aineet Pii on yksi yleisimmistä kallion mineraalien sisältämistä alkuaineista. Loppusijoituskapselista pohjaveteen mahdollisesti Iiukeneva pii on määrältään merkityksettämän vähäistä kalliosta pohjaveteen liukenevaan piihin verrattuna. Tällä perusteella piitä ei tarkastella tämän tarkemmin. 5.3 Määrältään vähäiset aineet Loppusijoitettavien materiaalien kemiallista myrkyllisyyttä tarkastellaan ensisijaisesti tilanteessa, jossa yksittäinen kapseli vuotaa, samaan tapaan kuin turvallisuusanalyyseissä [3,4]. Radionuklidien vapautumista biosfåäriin tarkastelevassa WELL-96- mallissa [4] oletetaan, että vuosittainen radionuklidipäästö laimenee 100000 m 3 :iin vettä. Käyttämällä vastaavaa laimenemisoletusta sekä alinta millekään aineelle sallittua enimmäispitoisuutta talousvedessä (eli elohopealle määrättyä pitoisuutta 0,001 mg/1) havaitaan, että aineet, joita on alle 100 g kapselia kohti, voidaan jättää huomioimatta. Vaikka jokin sellainen aine vapautuisi kokonaisuudessaan kapselista ilman mitään esteitä, ei sen keskimääräinen pitoisuus 100000 m 3 : ssa vettä voi ylittää arvoa 0, 001 mg/1. Vähäisen määränsä perusteella tarkastelusta voidaan poistaa taulukon 4-3 aineista antimoni, boori, bromi, dysprosium, fosfori, germanium, indium, kloori, natrium, radium, rikki, tantaali, terbium, vanadiini ja volframi. Käytetyssä ydinpolttoaineessa on prometiumia heti käytöstäpoiston jälkeen 256 g 1 12 nippua, mutta sen määrä pienenee radioaktiivisen hajoamisen takia varsin nopeasti. Ydinpolttoainetta välivarastoidaan Suomessa vähintään 20 vuotta ennen kapselointia ja loppusijoitusta. Välivarastoinnin aikana prometiumin määrä putoaa selvästi pienemmäksi kuin 100 g/kapseli, joten se voidaan myös karsia tarkasteltavien aineiden joukosta vähäisen määränsä vuoksi. Vastaava karsinta voidaan tehdä myös aineille, joille on säädöksessä [5] määritelty enimmäispitoisuudet talous vedessä. Aineet, joita on kapselia kohti niin vähän, että edes koko kapselin sisältämä määrä ko. ainetta ei 100000 m 3 :iin vettä laimentuessaan ylitä säädöksessä määriteltyjä enimmäispitoisuuksia, voidaan poistaa tarkastelusta. Tällaisia aineita ovat alumiini, barium, hopea, kadmium ja seleeni. Myös lyijy voitaisiin karsia vähäisen määränsä perusteella tarkasteltavien aineiden joukosta, mutta kaasuna vapautuvan radonin kulkeutuminen biosfåäriin ja hajoaminen lopulta lyijyksi tarkastellaan erikseen.

16 5.4 Jalokaasut Loppusijoituskapselin sisältämät jalokaasut eli krypton ja xenon eivät reagoi kemiallisesti ja ovat kaasumaisia biosfääriin mahdollisesti vapautuessaan. Ne eivät voi muodostaa niin suuria pitoisuuksia, joista olisi kemiallista haittaa elolliselle luonnolle. 5.5 Säteilymyrkylliset aineet Käytetyssä ydinpolttoaineessa esiintyvät transuraanit eli amerikium, curium, neptunium ja plutonium ovat kemiallisestikin haitallisia, mutta ennen kaikkea ne ovat erittäin radioaktiivisia. Niiden kemiallinen myrkyllisyys on niin paljon niiden säteilymyrkyllisyyttä vähäisempää, että sen erillinen tarkastelu on tarpeetonta [14]. Näistä aineista mahdollisesti aiheutuvat haitat johtuvat aina ensisijaisesti niiden säteilyvaikutuksista. Myös muita vastaavia aineita on käytetyssä ydinpolttoaineessa, esim. radium. 5.6 Yhteenveto pois tarkastelusta karsitoista aineista Kohdissa 5.1-5.5 tarkemmista tarkasteluista karsitut aineet on koottu taulukkoon 5-1. 5. 7 Tarkempaa tarkastelua vaativat aineet Kappaleissa 5.1-5.5 tehtyjen karsintojen jälkeen taulukon 4-5 aineista tarkempaa käsittelyä vaativat aineet on lueteltu taulukossa 5-2. Neodyymiä, niobiumia ja palladiumia lukuun ottamatta kaikki taulukon5-2 alkuaineet kuuluvat viitteessä [15] käytetyn kolmiportaisen vaarallisuusluokituksen (Hazard Rating, HR) vaarallisimpaan ryhmään. Tämä tarkoittaa sitä, että niiden LD50-arvo on pienempi kuin 400 mg/kg. LD50-arvo (Lethal Dose 50) tarkoittaa muulla tavoin kuin hengitysteitse elimistöön päätynyttä ainepitoisuutta, joka aiheuttaa 50 %:lle altistuneista kuoleman. Myös tietyt neodyymin ja palladiumin yhdisteet kuuluvat vaarallisimpaan ryhmään. Vaikka niobium on elollisessa luonnossa yleisesti esiintyvä aine ja se kuuluu vähiten vaaralliseen ryhmään, voi se aiheuttaa vakavaa ihoärsytystä ja munuaisvaurioita riittävän suurina pitoisuuksina esiintyessään [15]. Tämän takia sitäkään ei karsita pois tarkasteltavien aineiden joukosta.

17 Taulukko 5-1. Tarkemmista tarkasteluista karsitut aineet. Alkuaine Lyhenne Määrä Tarkastelusta karsimisen perusta (g/kapseli) Alumiini Al Amerikium Am Antimoni Sb Barium Ba Boori B Brorni Br Curium Cm Dysprosium Dy Fosfori P Germanium Ge Happi 0 Helium He Hiili c Hopea Ag Indium In Kadrnium Cd Kalsium Ca Kloori Cl Krypton Kr Magnesium Mg Natrium Na Neptunium Np Pii Si Plutonium Pu Prometium Pr Radium Ra Rikki Seleeni Tantaali Terbium Vanadiini Volfrarni Xenon s Se Ta Tb V W Xe 126 476 73 6660 0,2 62 177 3,8 12 1,5 288000 654 448000 239 5,3 293 70 14 831 7010 12 4700 302000 22200 <100 4 58 128 13 7 0,1 40 11900 vähäinen määrä säteil ymyrky llisyys vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) säteil ymyrky llisyys vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vaaraton tai yleinen biosfåärissä vaaraton tai yleinen biosfåärissä vaaraton tai yleinen biosfåärissä vähäinen määrä vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) ja vaaraton tai yleinen biosfäärissä vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) jalokaasu vähäinen määrä _ia vaaraton tai yleinen biosfäärissä vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) säteil ymyrky llisyys vaaraton tai yleinen biosfåärissä säteilymyrkyllisyys vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) ja säteil ymyrky llisyys vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) jalokaasu

18 Taulukko 5-2. Tarkempaa tarkastelua vaativat loppusijoituskapselin sisältämät aineet. Alkuaine Lyhenne Määrä Maolimassa Määrä (g/kapseli) (g/mol) ( mol/kapseli) Cerium Ce 6060 140,115 43,3 Cesium Cs 6720 132,90543 50,6 Europium Eu 423 151,965 2,8 Gadolinium Gd 346 157,25 2,2 Hafnium Hf 243 178,49 1,4 Jodi I 564 126,90447 4,4 Koboltti Co 102 58,9332 1,7 Kromi Cr 51300 51,9961 987 Kupari Cu 7500000 63,546 118000 Lantaani La 2820 138,9055 20,3 Lyijy Pb 904 207,2 4,4 Mangaani Mn 113000 54,93805 2060 Molybdeeni Mo 7710 95,94 80,4 Neodyymi Nd 9280 144,24 64,3 Nikkeli Ni 160000 58,69 2730 Niobium Nb 10800 92,90638 116 Palladium Pd 3490 105,42 33,1 Praseodyymi Pr 2580 140,90765 18,3 Rauta Fe 13100000 55,847 235000 Rodium Rh 989 102,9055 9,6 Rubidium Rb 820 85,4678 9,6 Ruteeni Ru 6910 101,07 68,4 Samarium Sm 1970 150,36 13,1 Strontium Sr 2000 87,62 22,8 Teknetium Te 1760 98 18,0 Telluuri Te 1210 127,6 9,5 Tina Sn 15700 118,71 132 Titaani Ti 1180 47,88 24,6 Torium Th 459 232,0381 2,0 Uraani u 2050000 238,0289 8610 Vismutti Bi 919 208,98037 4,4 Yttrium y 1050 88,90585 11,8 Zirkonium Zr 1010000 91,224 11100

19 6 LIUKOISUUDET 6.1 TILA-99-raportin mukaiset liukoisuudet Eri alkuaineiden liukoisuuksille käytetään samoja arvoja kuin radionuklidien kulkeutumisen tarkastelun yhteydessä [3] niiltä osin kuin se on mahdollista. Taulukon 5-2 aineista vain kymmenen on sellaisia, joiden liukoisuus on määritelty radionuklidien kulkeutumistarkastelujen yhteydessä. Ne ovat nikkeli, niobium, palladium, samarium, strontium, teknetium, tina, torium, uraani ja zirkonium. Näiden aineiden liukoisuuksina käytetään konservatiivista arviota pelkistävissä olosuhteissa vallitsevasta liukoisuudesta. Suolaiseen tai ei-suolaiseen veteen liukenevuudesta valitaan suurempi. Loppusijoituskapselin sisällä aivan polttoainematriisin välittömässä läheisyydessä vallitsee voimakkaasta alfasäteilystä johtuen hapettavat olosuhteet. Hapettavissa olosuhteissa mm. uraanin ja teknetiumin liukoisuus on selvästi suurempi, mutta sillä ei ole merkitystä, koska kapselista ulos kulkeutuvassa vedessä vallitsee pelkistävät olosuhteet. 6.2 Muut lähteet Cesium, jodi, molybdeeni ja rubidium ovat hyvin liukoisia [16]. Niille ei käytetä mitään liukoisuusrajaa. Kuparin ja raudan liukoisuudet saadaan radionuklidien kulkeutumiseen liittyvien analyysien liukoisuustietokannasta [ 17]. Sen perustapauksien mukaisista liukoisuuksista valitaan suurin ja sitä pyöristetään ylöspäin. Taulukossa 5-2 esiintyvät lantanidit eli cerium, europium, gadolinium, lantaani, neodyymi, praseodyymi ja samarium sekä niiden kanssa jaksollisessa järjestelmässä samaan ryhmään kuuluva yttrium ovat harvinaisia, useissa mineraaleissa esiintyviä aineita. Niiden liukoisuus tunnetaan yleisesti ottaen varsin huonosti [16]. Niiden liukoisuuksille käytetään ko. aineiden (OH) 3 -yhdisteiden liukoisuuden teoreettisen tarkastelun mukaisia arvoja [18]. TIT...,A-99-raportissa [3] käsitellään lantanideista ainoastaan samariumia. Sen liukoisuus on kummankin lähteen mukaan 1 1 o- 5 mol/1. Tämä yhdenmukaisuus lisää eri lähteistä otettujen liukoisuusarvojen keskinäistä vertailukelpoisuutta. 6.3 Mittaustuloksiin perustuvat arviot Pasivan vuosina 1980-1992 tekemissä Hästholmenin saaren pohjavesitutkimuksissa suurin mitattu pohjaveden lyijypitoisuus oli 3 1 o-s mol/1 [19]. Tästä arvosta konservatiiviseen suuntaan arvioimalla lyijyn liukoisuudeksi valitaan 1 1 o- 7 mol/1. Pasivan kaikkien tutkimusalueiden pohjavesiä käsittelevässä raportissa [20] suurin mistään mitattu pohjaveden mangaanipitoisuus on 6 1 o- 5 mol/1. Tästä arvosta konservatiiviseen suuntaan arvioimalla mangaanin liukoisuudeksi valitaan 1 10-4 mol/1. 6.4 Kemialliset analogiat Useille harvinaisemmille aineille ei ole saatavilla liukoisuusarvoja. Jaksoilisessa järjestelmässä samassa pystysarakkeessa eli ryhmässä sijaitsevat alkuaineet muistuttavat pääsääntöisesti kemiallisesti toisiaan. Hafnium ja zirkonium ovat kemiallisesti lähes identtisiä [ 16]. Hafniumille käytetään samaa liukoisuusarvoa kuin zirkoniumille. Myös titaani sijaitsee jaksollisessa järjestelmässä samassa ryhmässä zirkoniumin ja hafniumin kanssa. Se on niiden tavoin heikkoliukoinen metalli. Näin ollen sillekin käytetään samaa

20 liukoisuusarvoa. Ruteeni, rodium ja palladium SIJaitsevat peräkkäin jaksollisessa järjestelmässä ja kuuluvat kolmen alkuaineryhmän muodostamaan yhtenäiseen joukkoon. Ne muistuttavat toisiaan kemiallisesti ja useimmat niiden yhdisteistä ovat heikkoliukoisia [ 16]. Näillä perusteilla ruteenille ja rodiumille käytetään samaa liukoisuusarvoa kuin palladiumille. Telluuri ja seleeni kuuluvat jaksollisessa järjestelmässä samaan ryhmään ja ovat kemiallisesti keskenään samankaltaisia. Seleenille on Tll A-99-raportissa [3] käytetty liukoisuutta 1 1 o- 6 mol/l, jota voidaan käyttää myös telluurille. Vismutti ja lyijy sijaitsevat peräkkäin jaksollisessa järjestelmässä ja muistuttavat toisiaan kemiallisesti [16]. Vismutille käytetään samaa liukoisuusarvoa kuin lyijylle. Vastaavilla perusteluilla koboltille käytetään samaa liukoisuusarvoa kuin nikkelille. Kromille käytetään samaa liukoisuusarvoa kuin raudalle ja nikkelille, jotka muistuttavat sitä kemiallisesti. 6.5 Yhteenveto liukoisuuksista Tarkasteltavien alkuaineiden liukoisuudet on koottu taulukkoon 6-1.

21 Taulukko 6-1. Tarkasteltavien alkuaineiden liukoisuuksia. Alkuaine Lyhenne Liukoisuus (mol/l) Cerium Ce 8 10-2 Cesium Cs ei liukoisuusrajaa Europium Eu 3 10-6 Gadolinium Gd 1 10-6 Hafnium Hf 5 10-8 Jodi I ei liukoisuusrajaa Koboltti Co 1 10-4 Kromi Cr 1 10-4 Kupari Cu 1 1 o- 3 Lantaani La ei liukoisuusrajaa Lyijy Pb 1 10-7 Mangaani Mn 1 10-4 Molybdeeni Mo ei liukoisuusraj aa Neodyymi Nd ei liukoisuusrajaa Nikkeli Ni 1 10-4 Niobium Nb 1 10-3 Palladium Pd 1 10-8 Praseodyymi Pr 3 10-2 Rauta Fe 1 10-4 Rodium Rh 1 10-8 Rubidium Rb ei liukoisuusrajaa Ruteeni Ru 1 1 o- 8 Samarium Sm 1 1 o-s Strontium Sr 1 10-3 Teknetium Te 5 10-8 Telluuri Te 1 10-6 Tina Sn 1 10-6 Titaani Ti 1 10-8 Torium Th 5 10-7 Uraani u 3 10-7 Vismutti Bi 1 10-7 Yttrium y 3 10-9 Zirkonium Zr 5 10-8

22 7 LASKUMENETELMÄT 7.1 REPCOM Materiaalien vapautuminen loppusijoituskapselista kallioperään tarkastellaan REPCOMtietokoneohjelmalla tehdyillä laskuilla. REPCOM-lähialuemallissa kapselin sisältöä ja lähialueen vapautumisesteitä malliunetaan pienillä osilla eli kompartmenteilla, joiden ominaisuudet määrittelee ohjelman käyttäjä. Kompartmentista seuraavaan tapahtuvaa aineiden kulkeutumista mallinnetaan differentiaaliyhtälöllä, joka ottaa huomioon sorption, advektion, diffuusion, aineiden liukoisuusrajat ja nuklidien hajoamisketjut. Ohjelma ratkaisee matriisieksponentiaalimenetelmällä aineiden kulkeutumista kuvaavan em. differentiaaliyhtälöistä koostuvan ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöryhmän. Saatava ratkaisu on ajan suhteen jatkuva. REPCOM-malli on esitelty perusteellisesti viitteessä [21]. Kemiallisen myrkyllisyyden tarkastelussa käytetään erittäin konservatiivista skenaariota eli loppusijoituskapselin eristävän vaikutuksen oletetaan häviävän kokonaan 10000 vuoden kuluttua loppusijoituksesta. Tässä skenaariossa käytettävä lähialuemalli on esitetty kuvassa 7-1. OrDZl Kapseli Bentorui tti Bentonii tti & mtrrske Kuva 7-1. Laskuissa käytetty lähialueen kulkeutumismalli. Kapselin sisätiloja on kuvattu yhdellä kompartmentilla, jonka tilavuus on Olkiluodon nippuja Sisältävälie kapselille 700 1 ja Loviisan nippuja sisältävälle kapselille 425 1. Tilavuutta 425 1 käytetään niiden aineiden yhteydessä, joita on eniten Loviisan nippuja sisältävässä kapselissa. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että tilavuutta 425 1 käytetään koboltin ja niobiumin vapautumista laskettaessa. Kapselia ympäröivä 35 cm:n paksuinen hentoniittikerros on jaettu 22 radiaalisuuntaiseen kompartmenttiin ja kapselin

23 päällä oleva 1,5 m:n korkuinen hentoniittikerros on jaettu pystysuunnassa 20:een kompartmenttiin. Loppusijoitusreiän yläosassa oleva 1 m:n paksuinen kerros tunnelin täyteainetta muodostaa yhden kompartmentin, samoin kuin loppusijoitusreiän yläpuolella oleva loppusijoitustunnelin osa, jonka tilavuus on 100 m 3 Kuvassa 7-1 olevat QF, Q 0 z ja QTDzt ovat veden virtaamat ko. kompartmenteista kallioperään. Niiden laskuissa käytetyt arvot esitetään kohdassa 8-2. Kullekin kulkeutumislaskuissa tarkasteltavalle aineelle tarvitsee tietää sen määrä, sijainti kapselissa, liukoisuus, sorboitumis- ja diffuusio-ominaisuudet sekä mahdollinen puoliintumisaika. Ainemäärien inventaari on esitetty luvussa 4, liukoisuudet luvussa 6 ja muut laskuissa käytetyt ominaisuudet luvussa 8. 7.2 KULKEUTUMINEN KALLIOPERÄSSÄ Kapselin lähialueelta vapautuvat aineet kulkeutuvat pohjaveden mukana kallion sisällä pitkiä matkoja, ennen kuin voivat päätyä biosfääriin. Tätä kaukokulkeutumista malliunetaan virtauskanavamallilla, jossa vapautuvat aineet kulkevat veden mukana kallion raoissa. Diffuusio on tässä mallissa ainoa tekijä, joka aiheuttaa pidättymistä ja dispersiota. Pohjaveden vuo ja kallion ominaisuudet voidaan koota yhteen parametriin u, jolloin käsiteltävän aineen konsentraatiota C 0 pohjavedessä vastaa etäisyydellä L ajanhetkellä t konsentraatio Cf: (7-1) jossa erfc on matemaattisen virhefunktion komplementtifunktio 2 00 erfc z = 1- erf z = -Jii J z 2 e -r dt (7-2) ja u on ko. aineen kulkeutumisominaisuuksia tarkasteltavalla reitillä kuvaava parametri 112 W L U = [ Ep De Rp ] -- (7-3) q JOSSa EP on kalliomatriisin huokoisuus (-), De on efektiivinen diffuusiotekijä halkeamasta kalliomatriisiin (m 2 /s), RP onko. aineen pidätystekijä kalliomatriisissa (-), W on virtauskanavien yhteysleveys kallion poikkipinta-alaa kohti (m/m 2 ), L on kulkeutumismatka (m), q on pohjaveden vuo kalliossa (m 3 /m 2 a) ja t on aika (a). Ei-sorboituvilla aineilla RP = 1 ja kohtalaisesti tai voimakkaasti sorboituvilla aineilla pätee R ~ Kd Ps p c p (7-4)

24 jossa Kct on sorboitumista kuvaava tilavuuteen pohjautuvajakautumistekijä (m 3 /kg) ja Ps on kallion tiheys (kg/m 3 ). Näillä perusteilla parametri u saadaan muotoon: 11 2 u ei-sorboitu va = ( e P D e ] W L q (7-5) 11 2 WL u sorboiru va :::::: [ D e K d P s ] -- q (7-6) Kaavoissa esiintyvä tekijä WL/q on virtausvastus. Sen yksikkö on alm, eli mitä suurempi virtausvastus on, sitä heikommin tarkasteltava aine kulkeutuu. Laskuissa käytettäväksi virtausvastukseksi on valittu 1 1 0 4 alm. Se vastaa raon avaumaa 0,5 mm, raon leveyttä 1m, virtausnopeutta 120m/aja virtauskanavan pituutta 600 m. Kaukokulkeutumislaskut on suoritettu elementtimenetelmään perustuvalla FTRANStietokoneohjelmalla. Ohjelma käyttää yllä kuvattua vastaavaa numeerista laskumenetelmää ja ottaa tarvittaessa huomioon kalliomattiisin heterogeenisyyden, joka ei ole mukana edellisissä yhtälöissä. FTRANS-ohjelma on esitetty tarkemmin viitteissä [22,23]. 7.3 WELL-96 WELL-96 on käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen TILA-96-turvallisuusanalyysissä [ 4] käytetty yksinkertainen malli, jolla muunnetaan loppusijoituskapseleista biosfääriin vapautuvien radionuklidien määrä ihmisille aiheutuvaksi säteilyannokseksi. WELL-96 on annosmuunnoskertoimien osalta päivitetty versio aikaisemmasta WELL- 94-mallista [24]. Loppusijoituksen turvallisuusanalyysit ovat osoittaneet, että merkittäviä säteilyannoksia ( annosnopeus >> 1 J.LSv/a) voi aiheutua vain siinä tapauksessa, että loppusijoitustilojen läheisyyteen tehdään porakaivo, jonka vettä käytetään juomavetenä [4]. Loppusijoitustiloista biosfåäriin vapautuvien aineiden vuotuisen päästön oletetaan laimenevan 100000 m 3 :iin pohjavettä ja yksittäisen ihmisen oletetaan juovan saastuneen kaivon vettä 500 1/a. Näin ollen yksittäinen saastuneen kaivon vettä juova ihminen saa juomavetensä mukana osuuden 5-10- 6 vuotuisesta radionuklidipäästöstä. Loppusijoituksen kemiallisen myrkyllisyyden tarkastelussa käytetään samaa laimenemisoletusta, eli loppusijoitustiloista biosfåäriin vapautuvien aineiden vuotuisen päästön oletetaan laimenevan 100000 m 3 :iin pohjavettä. Tähän vesimäärään syntyneitä pitoisuuksia vertaillaan laissa määrättyihin talousveden suurimpiin sallittuihin ainepitoisuuksiin. Muilta osin WELL-96-mallia ei tässä tarkastelussa käytetä.

25 8 VAPAUTUMINEN LOPPUSIJOITUSKAPSELISTA 8.1 Aineiden sijainti loppusijoituskapselissa Tarkasteltavista aineista koboltti, kromi ja titaani esiintyvät polttoainenippujen teräsosissa, hafnium nippujen zircaloy-osissa, niobium ja zirkonium nippujen ZrNbosissa ja kupari, mangaani, nikkeli ja rauta loppusijoituskapselin rakenteessa. Kaikki muut tarkasteltavat alkuaineet esiintyvät polttoainematriisissa. 8.2 Laskuja varten tehtäviä oletuksia Loppusijoituskapselissa olevan käytetyn ydinpolttoaineen oletetaan rapautuvan kokonaan tasaisella nopeudella 10 6 vuodessa. Polttoainematriisissa esiintyvien eiliukoisuusrajoitteisten aineiden biosfäärin vapautuminen tapahtuu vähintään rapautumista vastaavalla nopeudella, eli vuodessa vapautuu minimissään 1 o- 6 alkuinventaarista. Polttoainenippujen zircaloy-osien oletetaan rapautuvan kokonaan 10000 vuodessa ja muiden metalliosien 1000 vuodessa. Aineiden vapautumista kapselista kuvataan kaikkein konservatiivisimmalla skenaariolla, eli sillä, että kapselin eristävä vaikutus häviää kokonaan 10000 vuoden kohdalla. Kulkeutumislaskuilla tarkasteltavien aineiden inventaarista 6 % oletetaan olevan kaasuaukossa. Virtaamat lähialueella oletetaan suuriksi eli QF = 5 1/a, Q 0 2 = 50 1/a ja Qmz 1 = 2000 1/a ja kallion virtausvastus WL/q on 1 1 0 4 a/m. Em. virtaamat ovat suurimmat TILA-99-analyysissä käytetyt virtaamat, eli kyseessä on eräänlainen herkkyystarkastelu. Virtaarnien valinnan vaikutus vapautumiseen on siis konservatiivinen. Bentoniitin sekä bentoniitin ja murskeen seoksen tiheydelle käytetään samaa arvoa kuin kallion tiheydelle (2700 kg/m 3 ). Laskujen kannalta olennaisimmat parametrien arvot on esitetty taulukossa 8-1. Taulukko 8-1. Laskuissa käytettyjä parametrien arvoja. Parametri Valittu arvo VirtaamaQF Virtaama Q 0 z Virtaama Qmzt Kallion virtausvastus WL/q Kaasuaukko-osuus 51/a 50 1/a 2000 1/a 1 10 4 a/m 6% Laskelmissa tarkastellaan yksittäistä, mahdollisimman epäedullisessa paikassa sijaitsevaa kapselia. Ruotsalaisen SKB :n turvallisuusanalyysin mukaan loppusijoituskapseli, jossa on pieni reikä, voisi läpäistä laadunvalvonnan todennäköisyydellä 0,001 [25]. Kanadalaisen AECL:n turvallisuusanalyysissä vastaava todennäköisyys on 0,0002 [26]. Suomen nykyisten ydinvoimalaitosten 40 vuoden käytön aikana syntyy käytettyä ydinpolttoainetta sellainen määrä, jonka loppusijoittamiseen tarvitaan noin 1400 loppusijoituskapselia. Käyttämällä konservatiivisempaa SKB :n tulosta 0,001 Suomeen edellämainitussa perustapauksessa loppusijoitettavista kapseleista yksi tai kaksi voisi olla sellaisia, joissa on pieni reikä. Tiiviinä loppusijoitetuista kapseleista ei vapaudu

26 mitään aineita pitkälläkään aikavälillä. Yksittäisestä kapselista vapautuvien aineiden tarkastelu on näin ollen perusteltua. Laskelmissa käytetty skenaario, jossa kapselin häviää 10000 vuoden kohdalla, antaa konservatiivisia tuloksia. Useista kapseleista voi vapautua loppusijoitettuja materiaaleja siinä tapauksessa, että jääkauden aiheuttama paine aiheuttaa kallion halkearnisen, joka leikkaa loppusijoitustilat ja vaurioittaa useita kapseleita. Tälläisen tapahtuman muodostama riski on hyvin pieni, mutta sen arviointi ei ole mahdollista kovin konkreettisella tasolla [4 (s. 151)]. 8.3 Liukoisuusrajoitteisten aineiden kulkeutuminen TILA-99-analyysin alustavissa laskuissa suurin efektiivinen veden virtaama kapselin sisältä bentoniitin läpi edelleen kallioon on noin 9 1/a. Näissä tarkasteluissa virtaamalle käytetään arvoa 10 1/a. Useat kapselissa esiintyvät aineet ovat liukoisuusrajoitteisia. Selvästi liukoisuusrajoitteisten aineiden vapautumista kapselista bentoniitin läpi kallioon voidaan arvioida yksinkertaisesti olettamalla kapselista ulos virtaavan veden sisältävän liukoisuusrajan mukaisen pitoisuuden tarkasteltavaa ainetta. Aineiden, joiden määrä on vähäinen tai joiden liukoisuusraja on suhteellisen korkea, pitoisuus ei voi kapselin sisältämässä vedessä nousta liukoisuusrajaan asti. Liukoisuusrajaa käytetäänkin tämän takia ainoastaan tarkasteltaessa aineita, joiden liukoisuusrajan mukainen vapautuminen kapselista virtaamaila 10 1/a kestää vähintään 10 6 vuotta eli polttoainematriisin oletetun rapauturnisen ajan. Tällä perusteella taulukon 6-1 liukoisuusrajoitteisista aineista cerium, europium, gadolinium, koboltti, niobium, praseodyyrni, samarium, strontium ja torium joudutaan käsittelemään tarkempien kulkeuturnislaskujen avulla käyttämättä liukoisuusrajaa. Myös krornin ja telluurin liukoisuusrajojen mukaiset vapauturnisajat jäävät vain vähän alle 10 6 vuoden, mutta ne jätetään silti liukoisuusrajoitteisten aineiden joukkoon. Kaikkien muiden taulukon 6-1 liukoisuusrajoitteisten aineiden loppusijoituskapselista kallioon vapautunut vuotuinen määrä saadaan kertomalla liukoisuus virtaamaila 10 1/a. Vuotuinen vapautuminen on esitetty taulukossa 8-2. 8.3.1 Lyijyn muodostuminen Lähes kaikki käytetyssä ydinpolttoaineessa syntyvä lyijy muodostuu uraanin hajoaruissarjan (4N+2) lopputuotteena. Yksi kyseisen hajoaruissarjan välivaiheista on Rn-222, joka voi vapautua loppusijoituskapselista kaasuna ja kulkeutua ylös biosfåäriin. Lyijyn muodostuminen on nopeimrnillaan 100000 vuoden kohdalla, jolloin Rn-222:n emonuklidin Ra-226:n aktiivisuus on 50 GBq/tU. Jos oletetaan konservatiivisesti, että kaikki muodostuva radon vapautuu kapselista ja hajoaa pintavesissä stabiiliksi Pb-206:ksi asti, saadaan veteen vapautuvaksi lyijymääräksi 5,6 10-6 mol/a.

27 Taulukko 8-2. Liukoisuusrajoitteisten aineiden vuotuinen kulkeutuminen loppusijoituskapselista kallioon. Alkuaine Lyhenne Vapautuminen (mol/a) Hafnium Kromi Kupari Lyijy Mangaani Nikkeli Palladium Rauta Rodium Ruteeni Teknetium Telluuri Tina Titaani Uraani Vismutti Yttrium Zirkonium Hf Cr Cu Pb Mn Ni Pd Fe Rh Ru Te Te Sn Ti u Bi y Zr 5 10-7 1 1 o- 3 1 10-2 1 10-6 1 10-3 1 10-3 1 10-7 1 10-3 1 10-7 1 10-7 5 10-7 1 10-5 1 10-5 1 1 o- 7 3 10-6 1 10-6 3 10-8 5 10-7 8.4 Ei-liukoisuusrajoitteiset aineet Taulukon 6-1 ei-liukoisuusrajoitteisten aineiden ja luvussa 8.3 liukoisuusrajoitteisten aineiden joukosta karsittujen aineiden vapautuminen loppusijoituskapselista bentoniitin läpi kallioon tarkastellaan REPCOM- ja FTRANS-tietokoneohjelmilla tehtävien kulkeutumislaskujen avulla. Tarkasteltavien aineiden laskuissa käytetyt parametrien arvot on lueteltu taulukossa 8-3. Taulukossa erikseen nimeämättömät aineet käsitellään neutraaleina ja ei-sorboituvina. Rubidiumille käytetään samoja arvoja kuin sen kanssa alkuainetaulukossa peräkkäin sijaitsevalle strontiumille. Kallion huokoisuudelle c ja diffuusiotekijälle De on kummallekin kaksi eri arvoa, joista ensimmäinen viittaa 0-1 cm:n etäisyydellä kallion halkeamista vallitseviin oloihin ja jälkimmäinen yli 1 cm:n päässä kallion halkeamista vallitseviin oloihin. Laskennan tulokset on koottu taulukkoon 8-4.

28 Taulukko 8-3. Kulkeutumislaskuissa käytetyt parametrien arvot. Neutraali Niobium Koboltti Jodi Cesium Strontium el-sor- (neutraali (neutraali, (anioni) (sorboi- Ja boituva sorboi- vapautuu tuva rubidium tuva) teräsosista kationi) (sorboitu- 1000 via katiovuodessa) neja) Bentoniitti Kti (m 3 /kg) 0 0,02 0 0 0,04 0,001 E (o/o) 0,43 0,43 0,43 0,05 0,43 0,43 De (m 2 /s) 1 10-10 1 10-10 1 10-10 1 10-11 1 10-9 1 10-9 Bentoniittil murske Kti (m3/kg) 0 0,01 0 0 0,004 0 E (%) 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 De (m 2 /s) 2 10-10 2 10-10 2 10-10 2 10-10 4 10-10 4 10-10 Kallio Kn (m 3 /kg) 1 10-5 0,02 0,005 0 0,01 0,0001 E (%) 0,5 ja 0,1 0,5 ja 0,1 0,5 ja 0,1 0,1ja 0,02 0,5 ja 0,1 0,5 ja 0,1 De (m 2 /s) 1 10-13 ja 1 10-13 ja 1 10-13 ja 1 10-14 ja 1 10-13 ja 1 10-13 ja 1 10-14 1 10-14 1 10-14 1 10-15 1 10-14 1 10-14 Taulukko 8-4. Ei-liukoisuusrajoitteisten aineiden suurimmat vuotuiset vapautumisosuudet ja -määrät biosfääriin. Alkuaine Lyhenne Suurin vuotuinen vapautumisosuus kokonaismäärästä Suurin vuotuinen vapautumismäärä (mol/a) Cerium Cesium Europium Gadolinium Jodi Koboltti Lantaani Molybdeeni Neodyymi Niobium Praseodyymi Rubidium Samarium Strontium Ce Cs Eu Gd I Co La Mo Nd Nb Pr Rb Sm Sr 8,3 10-5 20 10-6 8,3 10-5 8,3 10-5 2 1 10-4 1,3 10-4 8,3 10-5 8 3 10-5 8 3 10-5 1,3 10-5 8 3 10-5 48 10-5 8 3 10-5 48 10-5 3,59 10-3 1,01 10-4 2,31 10-4 1,83 10-4 9,33 10-4 2,27 10-4 1,69 10-3 6 67 10-3 534 10-3 1 56 10-3 1,52 10-3 4 61 10-4 1,09 10-3 1,10 10-3

29 Vaikka kappaleessa 8.3 todettiin. että liukoisuusrajojen mukainen vapautuminen loppusijoituskapselista olisi epärealistisen nopeaa mm. europiumille, gadoliniumille ja samariumille, olisi näiden aineiden vapautuminen vielä sitäkin nopeampaa, jos käytettäisiin taulukossa 8-4 esitettyjä arvoja. Tämän takia näiden kolmen aineen vapautumiselle käytetään niiden liukoisuusrajojen avulla laskettuja arvoja, jotka on koottu taulukkoon 8-5. Taulukko 8-5. Europiumin, gadoliniumin ja samariumin vapautuminen kallioon. Alkuaine Lyhenne Vapautuminen (mol/a) Europium Gadolinium Samarium Eu Gd Sm 3 1 o- 5 1 10-5 1 10-4 Taulukoissa 8-2 ja 8-5 esitetään liukoisuusrajoitteisten aineiden suurimmat vuotuiset vapautumismäärät kallioon. Näissä tuloksissa ei oteta huomioon aineiden kulkeutumista pitkiä matkoja kallion sisällä biosfääriin, kuten taulukon 8-4 ei-liukoisuusrajoitteisten aineiden yhteydessä tehdään. Tulokset ovat kuitenkin suoraan vertailukelpoisia keskenään, koska tarkastellaan pysyviä nuklideja. Nopeasti hajoavilla radioaktiivisilla aineilla kallion läpi biosfåäriin kulkeutumisessa kuluu niin paljon aikaa, että aktiivisuus vähenee oleellisesti, mutta pysyvillä tai pitkäikäisillä radioaktiivisilla liukoisuusrajoitteisilla nuklideilla kaukokulkeutuminen viivästyttää vapautumista biosfåäriin, mutta ei juuri vähennä päästön suuruutta [4 (s.102)]. Kallion läpi kulkeutuminen siis korkeintaan vähentäisi päästöä hieman, eli mahdollinen virhe tehdään konservatiiviseen suuntaan eli päästöä yliarvioivaksi. 8.4.1 Torium Uraanin hajomisen seurauksena syntyvän toriumin vapautumista rajoittaa eniten sen muodostumisnopeus. Toriumin määrää hallitsee isotooppi Th-232, joka syntyy U- 236:n hajoamisen seurauksena. Isotooppia U-236 on käytetyssä ydinpolttoaineessa 10 6 vuoden kohdalla 15 GBq/tU eli Th-232:n tuottonopeus on 7,854 10-7 mol/(a tu). Olkiluodon ydinvoimalaitoksen polttoainetta on 2,14 tlkapseli, eli Th-232:n tuottonopeus on 1,68 1 o- 6 mol/(a kapseli). Tasapainotilanteessa muodostunut torium vapautuu kapselista ja päätyy biosfääriin muodostumistaan vastaavalla nopeudella. Isotoopin Th-230 vapautuminen biosfåäriin on tarkasteltu REPCOM- ja FTRANSlaskuilla viitteessä [3]. Sen vapautuminen biosfääriin on nopeimmillaan 6,5 1 0 5 vuoden kohdalla, jolloin 2, 14 tonnia ydinpolttoainetta sisältävästä kapselista vapautuu isotooppia Th-230 8, 14 1 o- 8 mol/a. Laskemalla yhteen nämä vapautumismäärät saadaan yhdestä kapselista vapautuvan toriumin määräksi 1, 76 1 o- 6 mol/a. Vapautumisnopeus on noin yksi kolmannes vapautumisnopeudesta 5 1 o- 6, joka saataisiin käyttämällä toriumille sen liukoisuusrajaa samalla tavoin kuin taulukossa 8-2.

30 Taulukko 8-6. Toriumin vuotuinen vapautumismäärä kallioon. Alkuaine Lyhenne Vapautuminen (mol/a) Torium Th 1 76 10-6

31 9 PITOISUUDET KAIVOVEDESSÄ Vaikka useiden tarkasteltavien aineiden liukoisuusrajat ovat korkeampia kuin niiden sallitut enimmäispitoisuudet talousvedessä, vähäisestä virtaamasta johtuen aineiden vapautumisnopeus on useimmiten hyvin pieni. WELL-96-mallin mukaisesti vuotuinen päästö laimenee kalliossa 100000 m 3 :iin vettä, minkä seurauksena pitoisuudet jäävät useimmiten erittäin pieniksi. Laimentamalla taulukoiden 8-2, 8-4, 8-5 ja 8-6 mukaiset vuotuiset päästöt 10 8 litraan vettä saadaan suurimmat pitoisuudet kaivovedessä. Tulokset esitetään taulukossa 9-1, jossa on myös ko. aineille Suomessa sallitut suurimmat pitoisuudet. Lasketut pitoisuudet niille taulukon 9-1 aineille, joille on sosiaali- ja terveysministeriön päätöksessä [5] määritelty suurimmat sallitut pitoisuudet, ovat vähintään neljä kertaluokkaa sallittuja rajoja pienempiä. Uraanipitoisuus on yli neljä kertaluokkaa pienempi kuin WHO:n suosituksen mukainen pitoisuus. Niillä aineille, joille ei ole määritelty em. päätöksessä suurimpia sallittuja pitoisuuksia mm. niiden harvinaisuuden tai tuntemattoman myrkyllisyyden takia, pitoisuudet jäävät vähintään kaksi kertaluokkaa pienemmiksi kuin kaikkein tiukin millekään alkuaineelle em. päätöksessä määrätty pitoisuusraja (elohopean raja 0,001 mg/1 eli 5 10-9 mol/1). Luvussa 8.3.1 tarkasteltua radonin vapautumisen myötä pintavesiin päätynyttä lyijyä ei voida tarkastella WELL-96-mallin mukaisesti. Yhdestä kapselista päätyy vuodessa pintavesiin lyijyä maksimissaan 5, 6 1 o- 6 moi. Tämän määrän täytyisi laimentua vähintään vain 120 litraan vettä, jotta jäädään lyijyn talousvedelle laissa määritellyn enimmäispitoisuuden alapuolelle.