t i ( T I: J c j t, FI9700036 POSIVA-96-14 Käytetyn polttoaineen loppusijoitus Suomen kallioperään Tekniikkatutkimukset vuosina 1993-1996 Posiva Oy Joulukuu 1996 POSIVA OY A n n a n k a t u 4 2 D. F I N - O O 1 O O H E L S I N K I. F I N L A N D P h o n e ( 0 9 ) 2 2 8 0 3 0 ( n a t ), ( + 3 5 8-9 - ) 2 2 8 0 3 0 ( i n t. ) F a x ( 0 9 ) 2 2 8 0 3 7 1 9 ( n a t ), ( + 3 5 8-9 - ) 2 2 8 0 3 7 1 9 ( i n t
POSIVA-96-14 Käytetyn polttoaineen loppusijoitus Suomen kallioperään Tekniikkatutkimukset vuosina 1993-1996 Posiva Oy Joulukuu 1996 POSIVA OY Annankatu 42 D. FIN-OO1OO HELSINKI. FINLAND Phone (09) 228 030 (nat.), ( + 358-9-) 228 030 (int.) Fax (09) 2280 3719 (nat). ( + 358-9-) 2280 3719 (int.)
ISBN 951-652-013-8 ISSN 1239-3096
Posiva-raportti - Posiva report Posiva Oy Annankatu 42 D, FIN-00100 HELSINKI, FINLAND Puh. (09) 2280 30 - Int. Tel. +358 9 2280 30 Raportin tunnus - Report code POSIVA-96-14 Julkaisuaika - Date Joulukuu 1996 Tekijä(t) - Author(s) Toimeksiantaja(t) - Commissioned by Posiva Oy Posiva Oy Nimeke - Title KÄYTETYN POLTTOAINEEN LOPPUSIJOITUS SUOMEN KALLIOPERÄÄN, TEKNIIKKATUTKIMUKSET VUOSINA 1993-1996 Tiivistelmä - Abstract Teollisuuden Voima Oy:n (TVO) ja Imatran Voima Oy:n (IVO) ydinvoimalaitosten käytetyn polttoaineen jätehuollon suunnittelu tähtää sijoituspaikan valintaan vuonna 2000 ja loppusijoittamisen aloittamiseen vuonna 2020. Tutkimusten lähtökohtana on ollut käytetyn polttoaineen loppusijoittaminen Suomen kallioperään. Tutkimuksista, suunnittelusta ja toteutuksesta huolehtii Posiva Oy. Vuoden 1992 lopussa julkaistiin turvallisuus- ja tekniikkaprojektin yhteenvetoraportti, jossa kuvattiin TVO:n käytetyn polttoaineen kapseloinnin ja loppusijoituksen tekninen suunnitelma. Teknistä kehitystyötä on tämän jälkeen jatkettu vuosiksi 1993-1996 asetetussa tekniikkaprojektissa eli TEKA-projektissa. Vuoden 1995 alusta loppusijoituksen suunnitteluun TVO:n käytetyn polttoaineen lisäksi on tullut huomioitavaksi myös IVOn käytetty polttoaine. Tekniikkaprojektissa kehitettiin käytetyn polttoaineen kuljetus-, kapselointi- ja loppusijoitustekniikkaa sekä arvioitiin vaihtoehtoisia loppusijoitusratkaisuja, käyttöjakson aikaista turvallisuutta ja näihin jätehuoltovaiheisiin liittyviä kustannuksia. Lisäksi tarkasteltiin teknisten päästöesteiden ja loppusijoitustilojen lähialueen pitkäaikaiskäyttäytymistä. Tässä raportissa kuvataan vuosina 1993-1996 tehtyä tutkimus- ja kehitystyötä, jonka lisäksi esitetään lyhyesti kapselointitekniikan ja loppusijoitustilojen nykyinen tarkistettu perusratkaisu ja vuosien 1997-2000 tekniikkatutkimusten aiheet. Kapseloinnin perusratkaisuna on kylmäprosessikapselointi ja kuparikapseli, jossa on massiivinen valettu sisärakenne ja kuparista valmistettu päällysvaippa. Loppusijoitustilojen perusratkaisu perustuu KBS-3-tyyppiseen ratkaisuun, jonka mukaisesti käytetyn polttoaineen loppusijoitustilat rakennetaan peruskallioon 300-700 m:n syvyyteen. Kapseloitu polttoaine sijoitetaan tunnelien lattiaan porattaviin reikiin ja eristetään kalliosta bentoniittisavella, joka paisuu voimakkaasti veden imeytyessä siihen. Kun viimeiset kapselit on sijoitettu, tunnelit täytetään ja alas johtavat kuilut suljetaan. ISBN ISBN 951-652-013-8 ISSN ISSN 1239-3096 Sivumäärä - Number of pages 75 Kieli - Language Suomi
Posiva-raportti - Posiva report Posiva Oy Annankatu 42 D, FIN-00100 HELSINKI, FINLAND Puh. (09) 2280 30 - Int. Tel. +358 9 2280 30 Raportin tunnus - Report code POSIVA-96-14 Julkaisuaika - Date December 1996 Tekijä(t) - Author(s) Toimeksiantaja(t) - Commissioned by Posiva Oy Posiva Oy Nimeke - Title FINAL DISPOSAL OF SPENT NUCLEAR FUEL IN THE FINNISH BEDROCK, TECHNICAL RESEARCH AND DEVELOPMENT IN THE PERIOD 1993-1996 Tiivistelmä - Abstract Planning activity relating to the disposal of spent fuel from the Teollisuuden Voima Oy (TVO) and Imatran Voima Oy (IVO) nuclear power plants in Finland is targeted at selection of the site for final disposal in the year 2000, with final disposal actually beginning in 2020. The spent fuel management programme, which is run by Posiva Oy, is based on final disposal in the Finnish bedrock. The technical solutions for the encapsulation plant and final disposal facilities were presented in a report published at the end of 1992 which summarized the safety and technology project. Technical development work continued as the technology project (the TEKA-project), which was scheduled for the period 1993-1996. From the beginning of 1995, IVO's spent fuel was included in the planning for final disposal. The TEKA-project included the development of technology for transportation, encapsulation and final disposal, the evaluation of alternative disposal concepts and safety aspects during the operation in addition to estimation of the costs. Long term behaviour of the technical barriers and the near field was considered. This report describes the research and development work carried out in the years 1993-1996, the current revised concept for final disposal technology and the research and development programme for the period 1997-2000. The basic concept for encapsulation is based on cold processing and use of a copper canister with a cast insert and a copper mantle. The basic concept for the repository is based on a KBS-3-type repository constructed in the bedrock at a depth of 300-700 metres. Encapsulated spent fuel will be emplaced in vertical holes bored in the floors of horizontal deposition tunnels. In the holes, canisters will be isolated from the bedrock by tightly compacted bentonite clay. As soon as the last canisters have been emplaced the encapsulation plant will be dismantled and the tunnels and shafts sealed. ISBN ISBN 951-652-013-8 ISSN ISSN 1239-3096 Sivumäärä - Number of pages 75 Kieli - Language Finnish
ESIPUHE Teollisuuden Voima Oy asetti vuonna 1993 käytetyn polttoaineen loppusijoituksen tekniikka-projektin eli TEKA-projektin. Posiva Oy on vetänyt projektia vuoden 1996 alusta lähtien. Tämä raportti on TEKA-projektin yhteenvetoraportti. Tavoitteena oli kehittää käytetyn ydinpolttoaineen kapselointi- ja loppusijoitustekniikkaa sekä laatia kuljetusselvityksiä. Projektin tehtäviin kuului myös vaihtoehtoisten loppusijoitusratkaisujen arviointi. Projektin vetäjänä toimi tekniikan lisensiaatti Jukka-Pekka Salo, kapselointitekniikan vastuuhenkilönä diplomi-insinööri Heikki Raiko (VTT Energia) ja loppusijoitustekniikan vastuuhenkilönä diplomiinsinööri Reijo Riekkola (Insinööritoimisto Saanio & Riekkola Oy). Projekti-insinöörinä ja kustannus- ja kuljetusselvitysten vastuuhenkilönä oli insinööri Nils-Christian Wikström. Loppusijoitustekniikan mittavista tutkimustunnelikokeista vastasi tekniikan lisensiaatti Jorma Autio (Insinööritoimisto Saanio & Riekkola Oy). Diplomi-insinööri Lauri Pölläsen erityisalaa olivat laitosten käytönaikaiset turvallisuuskysymykset. Tekniikan tohtori Juhani Vira toimi TURVA-projektin yhdyshenkilönä.
SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ESIPUHE 1 JOHDANTO 1 2 TEKNHKKATUTKIMUKSET VUOSINA 1993-1996 3 2.1KAPSELOINTITEKNnKKA 3 2.1.1 Kapseli 3 2.1.2 Kapselointi 8 2.2 LOPPUSIJOITUSTEKNIIKKA 9 2.2.1 Tilaratkaisut 9 2.2.2 Loppusijoitustilojen rakentaminen 9 2.2.3 Loppusijoitustilojen käyttö ja sulkeminen 11 2.2.4 Suunnittelumenetelmät 12 2.3 VAIHTOEHTOISET LOPPUSIJOITUSRATKAISUT 15 2.3.1 Kapselit 15 2.3.2 Loppusijoitustilat 16 2.3.3 Johtopäätökset 19 2.4 LOPPUSIJOITUSLAITOKSEN SIJOITTAMINEN JA RAKENTAMINEN ERI TUTKIMUSALUEILLE 20 2.4.1 Loppusijoitustilojen asemointitarkastelut 20 2.4.2 Kallion pysyvyys loppusijoitustiloja rakennettaessa 21 2.5 KÄYTETYN POLTTOAINEEN KULJETUKSET 23 2.6 OLKILUODON TUTKIMUSTUNNELI 24 2.6.1 Kallioperän karakterisointi 25 2.6.2 Kallioperän hydraulinen karakterisointi 27 2.6.3 Täysikokoisten loppusijoitusreikien poraus 28 2.6.4 Täysikokoisten loppusijoitusreikien häiriövyöhykkeen karakterisointi 29 2.6.5 Louhintaräjäytyksen aiheuttama häiriövyöhyke 31 2.6.6 Tulosten tarkastelu 31 3 KÄYTETYN POLTTOAINEEN LOPPUSIJOITUKSEN PERUSRATKAISU 33 3.1 KAPSELOINTITEKNnKKA 33 3.1.1 Kapseli 33 3.1.2 Kapselointi 41 3.2 LOPPUSIJOITUSTEKNIIKKA 44 3.2.1 Loppusijoitustilat 44 3.2.2 Loppusijoitustilojen rakentaminen 46 3.2.3 Loppusijoitustilojen käyttö 48 3.2.4 Loppusijoitustilojen täyttö ja sulkeminen 49
4 TEKNIIKKATUTKIMUKSET VUOSINA 1997-2000 50 4.1 KAPSELOINHTEKNEKKA 51 4.1.1 Kapselin rakenne ja valmistustekniikka 51 4.1.2 Kapselointilaitoksen tarkistettu esisuunnitelma 52 4.2 LOPPUSIJOITUSTEKNIIKKA 54 4.2.1 Loppusijoitustilojen tarkistettu esisuunnitelma 54 4.2.2 Loppusijoituslaitoksen rakennettavuus- ja asemointiselvitykset 55 4.2.3 Tutkimuskuilu 56 4.2.4 Rakentamis-, käyttö- ja sulkemistekniikat 56 4.3 TEKNISTEN PÄÄSTÖESTEIDEN TOIMINTAKYVYN TUTKIMINEN 57 4.3.1 Kapseli 58 4.3.2 Loppusijoitustilojen täyteaineet 59 4.3.3 Loppusijoitustilojen lähikallio 60 4.4 KÄYTETYN POLTTOAINEEN KULJETUKSET 61 5 YHTEENVETO 62 6 VIITTEET 66
JOHDANTO Teollisuuden Voima Oy:n (TVO) Olkiluodon ja Imatran Voima Oy.n (IVO) Loviisan ydinvoimalaitosten käytetyn polttoaineen huollon tutkimuksessa, suunnittelussa ja toteutuksessa noudatetaan valtiovallan asettamia aikatauluja ja tavoitteita. Tutkimusten lähtökohtana on käytetyn polttoaineen loppusijoittaminen Suomen kallioperään. Sijoituspaikkakunta valitaan vuonna 2000 ja loppusijoitus voidaan aloittaa vuonna 2020. Tutkimuksista, suunnittelusta ja toteutuksesta huolehtii vuodesta 1996 alkaen Posiva Oy. Käytetyn polttoaineen loppusijoitukseen tähtäävä vuosina 1993-1996 toteutettu tutkimus- ja kehitystyö organisoitiin kolmeksi projektiksi, jotka olivat: tekniikkaprojekti eli TEKA-projekti turvallisuusprojekti eli TURVA-projekti (Posiva 1996a) paikkatutkimusprojekti eli PATU-projekti (Posiva 1996b). Vuoden 1992 lopussa julkaistiin turvallisuus ja tekniikkaprojektin yhteenvetoraportti (TVO 1992), jossa kuvattiin TVO:n käytetyn polttoaineen kapseloinnin ja loppusijoituksen tekninen suunnitelma. Teknistä kehitystyötä on tämän jälkeen jatkettu TEKA-projektissa. Loppusijoituksen suunnitteluun on TVO:n käytetyn polttoaineen lisäksi tullut vuoden 1995 alusta mukaan myös IVOn käytetty polttoaine. Tekniikkaprojektin tutkimusaiheet jaettiin vuosina 1993-1996 seuraavasti: kapseloinnin, loppusijoituksen ja kuljetusten teknisten ratkaisujen kehittäminen ja arviointi ottaen huomioon paikkatutkimus- ja turvallisuusprojektien (PATU- ja TURVA-projektit) tulokset loppusijoituslaitoksen käyttöjakson ja käytetyn polttoaineen kuljetusten turvallisuuteen liittyvät selvitykset teknisten ratkaisujen kustannusarviot vaihtoehtoisten loppusijoitusratkaisujen arviointi teknisten päästöesteiden ja loppusijoitustilojen lähialueen pitkäaikaiskäyttäytymiseen liittyvät tutkimukset kallioperän mekaanisen, lämpömekaanisen ja hydraulisen käyttäytymisen arviointi.
Tässä raportissa kuvataan tekniikkaprojektissa tehtyä tutkimus- ja kehitystyötä. Teknisten vapautumisesteiden pitkäaikaiskäyttäytymiseen liittyvät tutkimukset tehtiin läheisessä yhteistyössä turvallisuustutkimusten - TURVA-projektin - kanssa ja niiden yhteenveto on esitetty TURVA-projektin loppuraportissa (Posiva 1996a). Lisäksi kuvataan vuoden 1996 perusratkaisun kapselointi- ja loppusijoitustekniikkaa, jolla TVOm ja IVOn käytetty polttoaine voidaan tulevaisuudessa loppusijoittaa. Perusratkaisua käytetään myös pohjana kustannusarvioita laadittaessa. Lopuksi esitetään tekniikkatutkimusten ja teknisten päästöesteiden toimintakykytutkimusten suuntaviivat vuosiksi 1997-2000. Vuoden 1996 lopussa tekniikkatutkimukset ovat sellaisessa vaiheessa, että vuosien 1997-2000 tutkimukset voivat jatkua suoraan niiden pohjalta vuodelle 2000 asetettujen tavoitteiden saavuttamiseksi. TEKA-projektin tutkimus- ja kehitystyöhön osallistui kotimaisia ja ulkomaisia tutkimuslaitoksia, yliopistoja, korkeakouluja ja konsulttitoimistoja. Merkittävä osuus oli mm. Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa, Helsingin ja Jyväskylän yliopistoissa, Geologian tutkimuskeskuksessa, Teknillisessä Korkeakoulussa, Insinööritoimisto Saanio & Riekkola Oy:ssä, Teollisuuden Voima Oyissä, Outokumpu Poricopper Oyissä ja IVO International Oyissä tehdyllä työllä sekä yhteistyöllä Svensk Kämbränslehantering AB:n (SKB) kanssa.
2 TEKNIIKKATUTKIMUKSET VUOSINA 1993-1996 2.1 KAPSELOINTITEKNIIKKA Tässä luvussa kuvataan vuosien 1993-1996 tutkimus- ja kehitystoimenpiteet, jotka kohdistuivat käytetyn polttoaineen loppusijoituskapseliin ja kapselointiprosessiin. Tutkimuksia, joilla selvitettiin kapselin toimintaa teknisenä päästöesteenä ja sen vaikutusta pitkäaikaisturvallisuuteen loppusijoituksen aikana on käsitelty viitteessä (Posiva 1996a). Vuoden 1992 lopussa TVO:n kapselointiratkaisuna oli ns. ACP-kapseli (Advanced Cold Process Canister) ja kylmäprosessitekniikka (TVO 1992). TVO:n polttoainenipuille ja -määrälle soveltuvan kylmäprosessitekniikkaa käyttävän kapselointilaitoksen alustava suunnitelma on esitetty viitteissä (Mayer ym. 1989, Kukkola 1990). ACP-kapselin suunnitteluperusteet ja mitoitus on puolestaan esitetty viitteessä (Raiko & Salo 1992). Kapselikehitystyön päätavoitteena oli saattaa ajantasalle ja täydentää käytetyn polttoaineen loppusijoituskapselin suunnitteluraportti vuodelta 1992 (Raiko & Salo 1992). Vuosina 1993-1996 kapselointitekniikkaan liittyvät tutkimus- ja kehityshankkeet kohdistuivat kapselin koon optimointiin, jälkilämmön kulkeutumiseen, kapselirakenteen suunnitteluun ja analysointiin, kapselin valmistustekniikkaan, kuparin hitsaustekniikkaan, tarkastustekniikkaan sekä laatukysymyksiin. Vuosina 1993-1996 seurattiin lisäksi säännöllisesti kapselointitekniikan kehitystyötä ulkomailla. SKB:n kanssa vaihdettiin tietoja kehitystöiden etenemisestä, neuvoteltiin kapselien suunnittelulähtökohdista, vaihdettiin tietoja valmistusteknisistä koeohjelmista ja vertailtiin kapselointilaitossuunnitelmia toisiinsa. Tällä toiminnalla on ollut tärkeä laadunvarmistuksellinen merkitys. Tutkimus- ja kehitystyön tuloksena julkaistiin vuoden 1996 loppussa uudistetut kapseliratkaisut sekä TVO:n että IVOn polttoainetyypeille (Raiko & Salo 1996). Nämä ratkaisut ovat lähtökohtina vuosien 1997-2000 kapselin ja kapselointitekniikan jatkokehitystyölle. 2.1.1 Kapseli Kapselirakenteen suunnittelu ja analysointi Vuonna 1995 TVO ja IVO sopivat, että Loviisan ja Olkiluodon voimalaitoksen käytetty polttoaine sijoitetaan aikanaan yhteiseen loppusijoitustilaan Suomen kallioperään. Näin ollen käytetyn polttoaineen kokonais-
määrä lisääntyi ja loppusijoitussuunnitteluun mukaan tuli geometrialtaan erilainen IVOn PWR-polttoaine (WER-440). Loppusijoituskapselin mitoitusta varten Loviisan polttoainenipuille tehtiin tarkka alkuaineiden ja aktiivisuuden määräselvitys sekä jälkilämpötehojen määrittely (Anttila 1995). Olkiluodon käytetyn polttoaineen koostumusta ja radioaktiivisia ominaisuuksia on selvitetty aikaisemmin laaditussa raportissa (Anttila 1992). Vuosina 1993-1996 vertailtiin keskenään erityyppisiä kuparikapseliratkaisuja (Autio ym. 1996a) ja tarkistettiin kapseloinnin perusratkaisun tekniikka. Näiden vertailujen perusteella vuosien 1997-2000 kehitystyötä varten perusratkaisuksi valittiin kuparikapseli, jossa on massiivinen valettu sisärakenne. Suoritetun lämpöteknisen optimoinnin perusteella suunniteltiin kapseliin sijoitettavaksi 11 polttoainenippua. Vaihtoehtovertailuja on kuvattu tarkemmin luvussa 2.3. Turvallisuustarkastelussa (Vieno & Nordman 1996) on teknisenä ratkaisuna käytetty kuparikapselia, jossa on valettu sisäosa. Turvallisuusarvio osoittaa, että käytetyn polttoaineen loppusijoitus on mahdollista toteuttaa näihin ratkaisuihin perustuen. Kapselin suunnitelma on esitetty viitteessä (Raiko & Salo 1996) ja se sisältää mm. kuvaukset uudistetuista kapselin kupari- ja sisäosien rakenteista. Kapselin kantava sisäosa on pallografiittirautaa. Jäljelle jäävään tyhjään tilaan tehdään tyhjö tai se täytetään suojakaasulla. Kapselista on suunniteltu erilliset versiot Olkiluodon ja Loviisan polttoainetta varten. Molempiin kapselityyppeihin voidaan sijoittaa 11 polttoainenippua. TVO:n kapselin kokonaispaino on 20.8 t ja IVOn 16,5 t, ks. luku 3.1.1. Loppusijoituskapselin suunnitteluraportissa (Raiko & Salo 1996) on myös esitetty tarkistetut suunnitteluperusteet ja mitoitus. Raportissa on tarkasteltu kapselien lujuutta. Lisäksi on tarkasteltu kapselin kriittisyysturvallisuutta ja säteilysuojelumitoitusta. Valettuun kapselikonstruktioon liittyvät säteilytasojen yksityiskohtaiset analyysit Loviisan ja Olkiluodon polttoaineille on esitetty raportissa (Anttila 1996a). Tutkimuksessa on analysoitu loppusijoituskapselien ulkopinnalla vallitsevat gamma- ja neutroniannosnopeudet ja arvioitu säteilytasojen riippuvuutta kapseliin sijoitetun polttoaineen palamasta ja jäähtymisajasta, nippuhilan geometriasta, kapselin dimensioista (seinämänpaksuuksista) ja kapselin täytemateriaalista. Kapselin kriittisyysturvallisuutta em. tekijöiden suhteen on puolestaan analysoitu raportissa (Anttila 1996b). Kapselin alikriittisyys on analyysein varmistettu jopa sellaisessa tilanteessa, että kapselin tyhjä tila olisi täyttynyt vedellä.
Kapselin rakenteellisia ratkaisuja on tarkasteltu aikaisempaa yksityiskohtaisemmin. Esimerkiksi kapselin kuparikannesta on laadittu yksityiskohtaiset suunnitelmat. Kannen hitsiliitoksen paikkaa on suunnitelmissa muutettu, mikä mahdollistaa hitsin lopettamisen siten, että hitsaussäde ohjataan sivulle ja kannen yläpinnasta ulos. Aikaisempi ja vaikeammin toteutettava tekniikka edellytti hitsaussäteen tunkeuman hallittua muuttamista virheettömänä normaalista hitsauspaksuudesta nollasyvyyteen. Kannen hitsin konstruktiomuutoksilla on saavutettu myös mahdollisuus käyttää radiografiamenetelmiä ultraäänimenetelmien lisäksi kannen liitoshitsin tarkastuksiin. Kapselin valmistaminen Aikaisempien selvitysten mukaan (TVO 1992 ja Rajainmäki ym. 1991) kuparikapselien valmistamiseen soveltuu parhaiten kuparin kuumapuristus- tai kuumavalssausmenetelmä. SKB:n toimesta valmistettiin vuonna 1995 täysikokoinen kapselilieriö kuumapuristusmenetelmällä. Suomessa jatkettiin kuuma valssaustekniikkaan perustuvan menetelmän kehittämistä. Tätä menetelmää käytettäessä valssatut kuparilevyt taivutetaan kaarelle. Levyt hitsataan pitkittäissaumoilla yhteen putkeksi, johon lopuksi kiinnitetään pohja hitsaamalla. Outokumpu Poricopper Oy laati selvityksen kapselin kuparivaipan valmistusmenetelmistä ja kustannuksista (Aalto ym. 1996). Kapselin valetun sisärakenteen valmistustekniikkaa arvioitiin VALMET Paperikoneet Oy:n valimon kanssa. VALMETilla on tekniset valmiudet valmistaa kyseessä olevaa valutyyppiä näin suurina yksikköinä (Raiko 1996a). Loppusijoituskapselin valmistukseen liittyvää laadunvarmistusta ja -tarkastusta on käsitelty kapselin suunnitteluraportissa (Raiko & Salo 1996). Kapselin valmistamisen kokonaiskustannukset on esitetty kootusti raportissa (Raiko 1996a). Kuparin hitsauksen menetelmäkehitys Vuosina 1994-1997 Outokumpu Poricopper Oy:n kanssa toteutetaan kuparin hitsauksen menetelmäkehitysprojekti, joka kuuluu osana TEKESin hitsaus- ja levytekniikan teknologiaohjelmaan. Projektin tavoitteena on kehittää elektronisuihkuhitsaukseen (EB-hitsaus) perustuva kuparikapselien vaipan valmistusmenetelmä. Ensimmäisenä tavoitteena on kehittää taivutettujen levyjen liittämiseen perustuvan lieriönvalmistusmenetelmän tarvitsemat pitkittäishitsit. Toisena tavoitteena on tutkia perinteisen tyhjössä suoritettavan EB-hitsauksen soveltuvuutta kapselin päätykansien kiinnittämiseen. Tämä on vaihtoehtoinen menetelmä SKB:n kehitteillä olevalle ns. low vacuum-menetelmälle.
Projektin ensimmäisessä vaiheessa selvitettiin pitkittäishitsien tekoa. Vuoden 1994 aikana toteutettiin koeohjelma VALMET lentomoottorihuollossa Linnavuoressa olevalla tyhjöhitsauslaitteistolla. Kaikkiaan suoritettiin 18 hitsauskoetta erilaisilla hitsausparametriyhdistelmillä, ks. kuva 2.1-1. Koeohjelman tulokset analysoitiin, etsittiin parametrien optimi 50 mm:n kuparilevyn hitsaukseen ja suoritettiin optimin kokeellinen verifiointi. Projektin ensimmäinen vaihe raportoitiin vuonna 1995 (Rajainmäki ym. 1995). Tehdyillä kokeilla saatiin määritellyksi sellainen hitsauspar^metrien yhdistelmä, jolla saadaan 50 mm:n kuparilevyyn hyvälaatuinen hitsi. Kapselin lieriörungon valmistuksessa tarvittavat pitkittäishitsit voidaan valmistaa kokeissa käytetyllä hitsauslaitteistolla em. hitsausparametreja käyttäen. Kuva 2.1-1. Elektronisuihkuhitsatut 50 mm paksut kuparilevyt
7 Vuonna 1995 käynnistettiin projektin toinen vaihe, jonka tavoitteena on tutkia EB-hitsauksen soveltuvuutta kapselin päätykansien kiinnittämiseen. Kehityskohteena oli virheettömän hitsisauman aikaansaaminen kaareviin kuparilevyihin hitsaussäteen ollessa vaaka-asennossa, ks. kuva 2.1-2. Lisäksi kehitettiin hitsauksen päättämismenetelmää sellaiseksi, että lopettamiskohtaan ei synny liiallisia hitsausvirheitä. Nämä hitsauskokeet suoritettiin Saksassa IGM Robotersysteme AG:n hitsauslaitteistolla. Laitteen suurempi maksimiteho mahdollisti aikaisempaa monipuolisempien hitsausparametriyhdistelmien käytön, esim. suuremman hitsausnopeuden tai alemman kiihdytysjännitteen. Vaakasuuntaisella säteellä hitsaaminen osoittautui hieman vaikeammin optimoitavaksi kuin pystysuuntaisella säteellä. Lopputuloksena saatiin etsityksi kuitenkin vuoden 1996 lopulla myös vaakasuuntaisella säteellä laatuvaatimukset täyttävä hitsausparametriyhdistelmä. Hitsauskokeita tehtiin yli 30 kpl. Hitsin lopettamisen menetelmäkehitys ei ole vielä loppuunsaatettu. Koeohjelman kolmannessa vaiheessa vuonna 1997 on suunniteltu valmistettavan kaksi lyhyttä kuparilieriötä (pituus 0,3-0,5 m), joihin kiinnitetään EB-hitsausmenetelmällä suunnitelmien mukainen täyden mittakaavan kansi. Tuloksia tullaan vertaamaan SKB:n vastaaviin koetuloksiin. Kuva 2.1-2. Elektronisuihkuhitsauskokeita varten Outokummun Porin tehtaalla valmistettuja kaarevia kuparikappaleita
8 Hitsien laatua, säteen tunkeumaa ja esiintyviä hitsausvirheitä selvitettiin kokeiden eri vaiheissa monipuolisilla tarkastuksilla: Outokumpu Poricopper Oy:ssä tehtiin hitsin pinnan laadun visuaalinen arviointi sekä mikroja makrorakennetarkastelut. Näytepalojen radiografiatutkimukset suoritettiin Huber Testing Oy:ssä ja ultraäänitarkastukset VTT:ssa. Kuparin hitsauskokeiden tarkastusten yhteydessä on aloitettu myös hitsimateriaalin mekaanisten ominaisuuksien mittauksia, mm. hidasvetokokeina suoritettavia virumislujuusmittauksia. Hitsien tarkastettavuutta tutkitaan erikseen tätä tarkastuskohdetta varten hankituilla optimoiduilla ultraääniantureilla. 2.1.2 Kapselointi TVO:n polttoainenipuille ja määrälle soveltuvan kylmäprosessitekniikkaa käyttävän kapselointilaitoksen alustava suunnitelma on esitetty viitteissä (Mayer ym. 1989, Kukkola 1990). Kehitettäessä kapseliratkaisua vuoden 1989 jälkeen kapselointilaitossuunnitelmaa ei ole kokonaisuudessaan päivitetty, mutta kapselin rakenteeseen tulleiden muutosten jälkeen on tarkistettu, että ne eivät oleellisesti vaikuta kapselointilaitoksen suunnitteluun. Valetulla sisärakenteella varustetun kuparikapselin osalta tämä tarkastelu on esitetty luvussa 3.1.2.
2.2 LOPPUSIJOITUSTEKNIIKKA Käytetyn polttoaineen loppusijoitustilojen alustava tekninen ratkaisu esitettiin vuonna 1990 esisuunnitelmassa (Salo ym. 1990) ja kuvattiin pääosiltaan vuonna 1992 turvallisuus- ja tekniikkaprojektin yhteenvetoraportissa (TVO 1992). Tässä kohdassa esitetään yhteenveto loppusijoitustekniikan kehitystyöstä vuosina 1993-1996. Kehitystyötä kuvataan yksityiskohtaisemmin viitteessä (Riekkola & Salo 1996). 2.2.1 Tilaratkaisut Loppusijoitustekniikan osa-alueita on arvioitu Posivan ja SKB:n yhteistyönä yhtiöiden tiedonvaihtosopimuksen puitteissa. Vuosina 1995-1996 käsiteltiin maanpinnan ja loppusijoitustilojen välisiä yhteyksiä sekä eri toimintojen ja järjestelmien vaatimia tilantarpeita. Arvioinnin kohteena olivat mm. varastointi- ja korjaustoiminnat sekä henkilöliikenne. Aikaisemmissa selvityksissä on tarkasteltu maanpintayhteyksinä kolmen pystykuilun lisäksi yhden vinokuilun ja yhden pystykuilun yhdistelmää (Salo ym. 1990, Autio ym. 1991a, 1991b). TEKA-projektissa tarkasteltiin lisäksi kahden pystykuilun ratkaisua ja arvioitiin SKB:n vaihtoehtoisia kuilu- ja ajotunnelisuunnitelmia. Soveltuvimmalta ratkaisulta vaikuttaa maanpintayhteyksien hoitaminen kolmen pystykuilun: työkuilun, henkilökuilun ja kapselin siirtokuilun avulla. Sijoitusreikien mitat ja keskinäinen etäisyys tarkistettiin uusia kapselisuunnitelmia vastaaviksi. Sijoitustunnelien yhteispituus tarkistettiin vastaamaan TVO:n ja IVOn arvioitua loppusijoitettavaa polttoainemäärää, ks. luku 3. Esisuunnitelmassa (Salo ym. 1990) sijoitustunnelin leveys on 3,3 m ja teoreettinen louhintakorkeus 4,6 m. Sijoitustunnelin teoreettista louhintakorkeutta voidaan pienentää noin 4,2 m:iin, koska kapselin siirto- ja asennustekniikkaa kehitettiin edelleen siten, että asennus voidaan tehdä matalammassa tilassa (Henttonen & Suikki 1995a, Saanio & Raiko 1996). Poikkileikkauksen madaltaminen pienentää sijoitustunnelin tilavuutta noin 19 000 m 3. Tilavuuden pieneneminen alentaa erityisesti tunnelien täyttökustannuksia. Sijoitusreikien mitat tarkistettiin 11 nipun kapselikokoa vastaaviksi. 2.2.2 Loppusijoitustilojen rakentaminen Poraus-räjäytysmenetelmän kehitystä arvioitiin erityisesti varovaisen louhintatekniikan osalta. Loppusijoitustilojen louhintaan soveltuvasta poraus- ja lastauskalustosta laadittiin selvitys (Tolppanen 1996a). Porausräjäytysmenetelmän aiheuttaman häiriövyöhykkeen laajuutta ja ominaisuuksia tutkittiin TVO:n tutkimustunnelissa. Tutkimustunnelia käsitellään tarkemmin kohdassa 2.6.
10 Kuva 2.2-1. Kolmipuominen datavarusteltu porausjumbo (Tamrock Drills 1994) Tunnelien vaihtoehtoisina louhintamenetelminä tulevat kyseeseen mekaaniset kivenirroitusmenetelmät, joista soveltuvimmaksi on arvioitu täysprofiiliporaus. Posiva-Tamrock-yhteisprojektissa laadittiin selvitykset mekaanisen louhinnan porattavuuden perusteista (Lislerud 1996) ja nousunporaustekniikan soveltuvuudesta vaakatunnelien louhintaan (Vainionpää & Lislerud 1996). Tunneleihin ja kuiluihin soveltuvaa lujitustekniikkaa selvitettiin kallioteknisten laskelmien ja kallioluokitusten avulla (Tolppanen ym. 1995, Äikäs 1996, Riekkola ym. 1996). Loppusijoitustiloihin sulkemisen jälkeen jäävistä lujitus- ja tiivistysmateriaalimääristä laadittiin arviot (Kirkkomäki 1996). STRIPA-projektin tiivistyskokeiden tuloksista laadittiin suomalainen arviointiraportti (Pöllä ym. 1994). Projektin tulosten mukaan loppusijoitustilojen tiivistämiseen injektoimalla soveltuvat parhaiten bentoniitit ja tehonotkistetut mikrosementit (Gray 1993). Projektissa kehitettyä
11 dynaamista injektointitekniikkaa käytettiin myös STRIPA-projektin kenttäkokeissa. SKB on selvittänyt tiivistystekniikan tämän hetken tiedon tasoa ja tulevia kehitystarpeita (Boden ym. 1995). Voimakkaasti vettäjohtavien rikkonaisuusvyöhykkeiden läpäisyyn liittyviä tekniikoita käsiteltiin ja arvioitiin kansainväliseen seminaarityöskentelyyn osallistuen (Bäckblom & Svemar 1994). Suuret vesi vuodot ja suuri vedenpaine vaikeuttavat vyöhykkeiden läpäisyä ja tiivistämistä. Tällainen tilanne on käytännössä todettu mm. Äspön ajotunnelissa. Em. kaltaisten vyöhykkeiden louhintaa ja rakennustöitä voidaan helpottaa mm. käyttämällä tiivistämisessä esi-injektointitekniikkaa. Käytännössä toteutuneita kalliotilojen vuotovesimääriä on esitetty viitteessä (Tolppanen 1996b). Sementin käyttöä sijoitusreikien läheisyydessä ei yleensä ole pidetty suotavana, koska se saattaa muuttaa pohjaveden vesikemiaa epäedulliseksi bentoniitin pysyvyyden ja käytetyn polttoaineen liukenemisen kannalta. Viime vuosina on kuitenkin kehitetty vesikemiaan vähemmän haitallisesti vaikuttavia sementtilaatuja. Uusien ruotsalaisten selvitysten mukaan voidaan sallia merkittäviäkin sementtimääriä loppusijoitustiloissa. (Kenne & Larsson 1995). 2.2.3 Loppusijoitustilojen käyttö ja sulkeminen TEKA-projektissa kehitettiin käyttövaiheessa tarvittavaa kapselin ja bentoniitin siirto- ja asennustekniikkaa. Kapselien siirtotekniikoita loppusijoitustiloissa arvioitiin yhdessä SKB:n kanssa. Viitteessä (Henttonen & Suikki 1995a, 1995b) on esitetty uudet suunnitelmat kapselin ja bentoniittilohkojen siirto- ja asennuslaitteille sekä pystyettä vaakareikäratkaisuille. Säteilyannosnopeuksia kapselin ja bentoniittilohkojen siirron ja asentamisen aikana on arvioitu viitteessä (Pöllänen 1995). Alustavasti on arvioitu, että siirto- ja asennustyöt voidaan hoitaa turvallisesti säteilysuojien avulla. Kapselien siirtotekniikkaa loppusijoitustiloissa on vertailtu yhdessä SKB:n kanssa. Nykyisessä perusratkaisussa kapseli kuljetetaan loppusijoitustiloihin hississä pystyasennossa. Loppusijoitustasolla kapseli käännetään vaaka-asentoon tunneleissa tapahtuvaa siirtämistä varten. Sijoitustunnelissa kapseli käännetään uudestaan pystyasentoon sijoitusreikään laskemista varten. Tällöin kapseli joudutaan kääntämään 90 kaksi kertaa eli kuilun alapäässä ja sijoitusreikään laskettaessa. Kuljetus tapahtuu kuilussa pystyasennossa ja tunneleissa vaaka-asennossa, mikä tekee mahdolliseksi kuljetuksen vaatiman tilan minimoinnin. Siirtoasennolla ei arvioida olevan ratkaisevaa vaikutusta kapselin sisällä polttoaineen kokemiin kuormituksiin.
12 SKB:n ohjelmaa bentoniittilohkojen ominaisuuksien ja valmistustekniikan määrittämiseksi (Börgesson ym. 1993 ja SKB 1996) seurattiin vuosina 1993-1996. Lisäksi osallistuttiin SKB:n laatimien bentoniittikäsikirjojen (Pusch ym. 1994, 1995) tarkastusprosessiin. Erityisen mielenkiinnon kohteena olivat bentoniittilohkojen teollisen valmistamisen demonstraatiot. On arvioitu, että kapselin ja bentoniitin sekä bentoniitin ja kallion välinen tila voidaan täyttää pienikokoisilla kokoonpuristetuilla bentoniittipelleteillä (Autio ym. 1996a). Pysty- ja vaaka-asentoisia sijoitusreikiä varten kehitetyt bentoniitin asennustekniikat (Henttonen & Suikki 1995a, 1995b) soveltuvat käytettäväksi sekä pienten että isojen bentoniittilohkojen asentamisessa, koska pienet lohkot voidaan niputtaa yhteen ja asentaa siten kooltaan suurempana lohkona. SKB saattoi vuonna 1995 päätökseen laboratoriotutkimukset, joissa selvitettiin murskeen soveltuvuutta täyteaineen runkoaineeksi. Selvityksen tuloksena arvioitiin, että kvartsihiekka voidaan korvata murskeella täyteaineen runkoaineena (SKB 1996). Murske-bentoniitti vaatii kuitenkin suuremman tiivistysenergian tai vaihtoehtoisesti suuremman bentoniittipitoisuuden (Pusch 1995). Murskeen käyttö vähentää materiaalikuljetuksia ja tulee alustavien arvioiden mukaan taloudellisesti edullisemmaksi kuin runkoaineeksi soveltuvan kvartsihiekan käyttö (Saanio 1996). Kustannuksiin vaikuttavat merkittävästi täyttömateriaalin bentoniittipitoisuus ja tiivisty stekniikka. Perusratkaisuna siirryttiin käyttämään mursketta kvartsihiekan asemasta tunnelin täyttömateriaalin runkoaineena. Aspossa tehdyissä kenttäkokeissa todettiin, että murske-bentoniitti on tehokkaasti tiivistettävissä vaadittuun tiiviyteen (SKB 1996). Kenttäkokeet tehtiin TBM-tunnelissa, jonka halkaisija on 5 m. Sulkurakenteiden tarvetta, toimintavaatimuksia ja rakenteita on arvioitu ulkomaisiin sulkurakenteita koskeviin selvityksiin perustuen. Nykyisen käsityksen mukaan sulkurakenteita tarvitaan sijoitustunneleissa, keskustunnelissa, kuiluissa ja lisäksi voimakkaasti vettäjohtavien vyöhykkeiden kohdalla. Numeeriset analyysit vahvistavat käsitystä, että sulkurakenteet tulee sijoittaa hyvälaatuiseen kallioon, jossa on pieni vedenjohtavuus (Hökmark 1994). Materiaaleina tulevat kyseeseen lupaavimpina bentoniitti ja betoni. 2.2.4 Suunnittelumenetelmät Tilojen suunnittelua varten aloitettiin tietokonepohjaisen Microstation 3Dsuunnittelujärjestelmän käyttöönotto. Suunnittelujärjestelmä tulee palvelemaan myös tilojen asemointia ja erilaisia visualisointitarpeita. Osittain TEKES-hankkeena kehitettiin sijoitussuunnitelmiin liittyvää visualisointitekniikkaa. Maanpäällisten tilojen eli kapselointilaitoksen ja laitos-