loppusijoitustilan lämpötilat

Työ r a p o r t t i 2 0 0 1-4 4 loppusijoitustilan lämpötilat Heikki Raiko Joulukuu 2001 POSIVA OY Töölönkatu 4, FIN-001 00 HELSINKI, FINLAND Tel. +358-9-2280 30 Fax +358-9-2280 3719

Työraportti 2001-44 Loppusijoitustilan lämpötilat Heikki Raiko Joulukuu 2001

-trr ENERGIA Suorittajaorganisaatio ja osoite VTI Energia, Ydinenergia PL 1604 02044 VTT Projektipäällikkö Heikki Raiko VTT:n diaarinumero ENE4-9T-2001 Projektin nimi ja suoritetunnus Loppusijoitustekniikkaan liittyvä tutkimus- ja kehitystoiminta N1SU00138, 45LS-TEKN Tilaaja Posiva Oy Töölönkatu 4 001 00 Helsinki Tilaajan yhdyshenkilö Jukka-Pekka Salo Tilaajan tilaus- tai viitenumero 9526/01/JPS Raportin numero ja sivumäärä ENE4/26/200 1 23 s. + liitt. 14 s. Päiväys 17.12.2001 Tutkimusselostuksen nimi ja kirjoittajat LOPPUSIJOITUSTILAN LÄMPÖTILAT Raiko, H. Tiivistel mä Loppusijoitustilan mitoitukseen vaikuttaa useita tekijöitä. Tässä raportissa käsitellään loppusijoitustilan suunnittelua, mitoitusta ja käyttöä lämpöteknisistä lähtökohdista. Loppusijoituskapselit tuottavat käytetyn polttoaineen radioaktiivisesta hajoamisesta aiheutuvaa jälkilämpöä, joka ohjataan johtumalla ympäröivään kalliotilavuuteen ja siitä edelleen hyvin pitkän ajan kuluessa maan pinnalle, lähinnä ilmakehään. Käytetyn polttoaineen tuottama lämpöteho alenee ajan kuluessa voimakkaasti, noin 50 vuoden kuluttua loppusijoituksesta lämpöteho on jo alentunut puoleen siitä, mitä se oli sijoitushetkellä. Kallion diffusiviteetti on sellainen, että kapseleista tuleva lämpöenergia leviää ympäröivään kalliotilavuuteen melko hitaasti aiheuttaen kallioon lämpötilaeroja ja kapselien lähellä lämpötila nousee merkittävästi. Kapselien sijoittelulla toisiinsa nähden voidaan mitoittaa koko loppusijoitustila siten, että esiintyvä korkein lämpötila ei ylitä mitoituksen perustana olevaa lämpötilarajaa, + 100 C. Kun kapselien sijoittamiseen kuluu aikaa joitakin vuosikymmeniä, on myös yksittäisten kapselien sijoittamishetkellä paikan lisäksi vaikutusta kapselissa esiintyvään maksimilämpötilaan. Samaten muutaman vuosikymmenen aikaerolla mahdollisesti tapahtuva loppusijoitustilan toisen kerroksen käyttöön kohdistuu lämpövuorovaikutusta aikaisemmin sijoitetusta kerroksesta. Tässä raportissa suoritetaan yksi- tai kaksikerroksisen loppusijoitustilan lämpötekninen mitoitustarkastelu Olkiluodon kallioperän mittauksiin perustuvilla kallion lämpöteknisillä ominaisuuksilla. Samalla kuvataan loppusijoitustoiminnan mahdollisten häiriöiden ja muutosten lämpöteknistä vaikutusta ja niihin varautumista loppusijoitustilan käytössä ja mitoituksessa. Jakelu: Posiva Oy, 2 kpl VTT Energian arkisto, 1 kpl Rapo}{!: li a Heiidä Raiko o--- Hyväksynyt / / Sv T)lhlspäällikkö Seppo Vuori Tarkastanut dr:i--- Jari Löfmfut WA- Julkisuus Luottamuksellinen Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen (VTT) nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän selostuksen osittainen julkaiseminen on sallittu vain Valtion teknilliseltä tutkimuskeskukselta saadun kiallisen luvan perusteella

Tutkimusselostus ENE4/26/200 1.... LOPPUSIJOITUSTILAN LAMPO- TILAT Luottamuksellinen Heikki Raiko

Tutkimusselostus ENE4/26/200 1 LOPPUSIJOITUSTILAN LÄMPÖ TILAT Luottamuksellinen Heikki Raiko VTTEnergia PL 1604,02044 VTT puh. (09) 456 5005, telefax (09) 456 5000 Espoo, 17.12.2001 Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen (VlT) nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän selostuksen osittainen julkaiseminen on sallittu vain Valtion teknilliseltä tutkimuskeskukselta saadun kiallisen luvan perusteella

Työraportti 2001-44 loppusijoitustilan lämpötilat Heikki Raiko VTT Energia Joulukuu 2001 Pasivan 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.

LOPPUSIJOITUSTILAN LÄMPÖTILAT TIIVISTELMÄ Loppusijoitustilan mitoitukseen vaikuttaa useita tekijöitä. Tässä raportissa käsitellään loppusijoitustilan suunnittelua, mitoitusta ja käyttöä lämpöteknisistä lähtökohdista. Loppusijoituskapselit tuottavat käytetyn polttoaineen radioaktiivisesta hajoamisesta aiheutuvaa jälkilämpöä, joka ohjataan johtumalla ympäröivään kalliotilavuuteen ja siitä edelleen hyvin pitkän ajan kuluessa maan pinnalle, lähinnä ilmakehään. Käytetyn polttoaineen tuottama lämpöteho alenee ajan kuluessa voimakkaasti, noin 50 vuoden kuluttua loppusijoituksesta lämpöteho on jo alentunut puoleen siitä, mitä se oli sijoitushetkellä. Kallion diffusiviteetti on sellainen, että kapseleista tuleva lämpöenergia leviää ympäröivään kalliotilavuuteen melko hitaasti aiheuttaen kallioon lämpötilaeroja ja kapselien lähellä lämpötila nousee merkittävästi. Kapselien sijoittelulla toisiinsa nähden voidaan mitoittaa koko loppusijoitustila siten, että esiintyvä korkein lämpötila ei ylitä mitoituksen perustana olevaa lämpötilarajaa, + 100 C. Kun kapselien sijoittamiseen kuluu aikaa joitakin vuosikymmeniä, on myös yksittäisten kapselien sijoittamishetkellä paikan lisäksi vaikutusta kapselissa esiintyvään maksimilämpötilaan. Samaten muutaman vuosikymmenen aikaerolla mahdollisesti tapahtuva loppusijoitustilan toisen kerroksen käyttöön kohdistuu lämpövuorovaikutusta aikaisemmin sijoitetusta kerroksesta. Tässä raportissa suoritetaan yksi- tai kaksikerroksisen loppusijoitustilan lämpötekninen mitoitustarkastelu Olkiluodon kallioperän mittauksiin perustuvilla kallion lämpöteknisillä ominaisuuksilla. Tuloksena esitetään kapselien tarvittavat etäisyydet toisistaan ja kaksikerrosratkaisussa eri kerrosten välinen etäisyys erilaisilla käytetyn polttoaineen määrän ja jälkijäähtymisajan olettamuksilla. Samalla kuvataan loppusijoitustoiminnan mahdollisten häiriöiden ja muutosten lämpöteknistä vaikutusta ja niihin varautumista loppusijoitustilan käytössä ja mitoituksessa. A vainsanat: käytetty ydinpolttoaine, loppusi j oitustila, j älkilämpö, lämpötilamitoitus

TEMPERATURES IN REPOSITORY ABSTRACT The dimensioning of a repository for nuclear fuel is based on several factors. This report contains the thermal or temperature aspect of the planning, dimensioning and operation of the repository. The disposed canisters produce residual heat due to fission of radioactive products. The decay heat is conducted to surrounding rock mass and later in a course of a very Iong time to ground surface and the atmosphere. The decay heat is strongly decreasing phenomenon, for ex., after 50 years the decay heat is only a half of the amount it was during disposal. The thermal diffusivity of the rock is such that the heat coming from the canisters is spread into the surrounding rock volume quite slowly causing thermal gradient in the rock and close to canisters, the temperature is increased remarkably. The maximum temperature in the canister and the bentonite buffer is limited to the design base temperature of + 100 C by controlling the span between adjacent canisters, adjacent tunnels and the distance between separate floors of the repository. Because of the fact that the disposal operation takes several decades, the moment of disposal of an individual canister in addition to the location has an influence on the maximum temperature in the canister. Also, a second disposal floor in the repository has a thermal interaction with the other floor, but this interaction is expressed after a few decades at the strongest. This report contains the temperature dimensioning of the 1- or 2-floor repository based on the rock properties measured from the Olkiluoto investigations. As a result the span between canisters and the distance between separate repository floors is presented using various assumptions for the cumulative amount and quality of spent nuclear fuel. In addition, the effect of possible disturbances or design modifications in the repository construction or disposal operation is analysed and guidance is given how to avoid the disadvantage caused by the changes. Keywords: Spent nuclear fuel, repository, decay heat, temperature dimensioning

1 SISÄLLYSLUETTELO Tiivistelmä sivu Abstract 1 JOHDANTO... 2 2 LÄMPÖTEKNISET MITOITUSPERUSTEET... 3 2.1 Kallion lämpötekniset ominaisuudet.... 3 2.2 Bentoniittiibufferin lämpötekniset ominaisuudet... 3 2.3 Polttoaineen jälkilämpöteho... 3 2.4 Kapselikohtaisen lämpötehon määrä ja sen optimointi... 6 2.5 Loppusijoitustilan sijoituskaavio ja kiinnitetyt mitat... 10 2.6 Loppusijoituslaitoksen käytön kuvaus ja aikataulu... 12 2.7 Sallittavien lämpötilojen määräytymisperusteet... 12 3 KAPSELIEN V ÄHIMMÄISETÄISYYKSIEN LASKENTA... 13 3.1 Laskentamenetelmän kuvaus... 13 3.2 Laskentamenetelmän validointi... 13 3.3 Laskentatapauksien kuvaus ja tulosten raportointi... 13 3.4 Kapselien sijoitusetäisyydet!-kerroksisessa loppusijoitustilassa... 15 3.5 Toisen kerroksen etäisyyden vaikutus kapselien maksimilämpötiloihin... 15 3.6 Kapselien etäisyyksien ja kerroksien välisen etäisyyden mitoitussuositus.. 17 4 LOPPUSIJOITUSTOIMINNAN HÄIRIÖIDEN JA SUUNNITTELUMUUTOS- TENVAIKUTUS LÄMPÖTILAMITOITUKSEEN... 19 5 YHTEENVETO... 22 VIITTEET... 23 LIITTEET

2 1 JOHDANTO Loppusijoitustilan mitoitukseen vaikuttaa useita tekijöitä. Tässä raportissa käsitellään loppusijoitustilan suunnittelua, mitoitusta ja käyttöä lämpöteknisistä lähtökohdista. Loppusijoituskapselit tuottavat käytetyn polttoaineen radioaktiivisesta hajoamisesta aiheutuvaa jälkilämpöä, joka ohjataan johtumalla ympäröivään kalliotilavuuteen ja siitä edelleen hyvin pitkän ajan kuluessa maan pinnalle, lähinnä ilmakehään. Käytetyn polttoaineen tuottama lämpöteho alenee ajan kuluessa voimakkaasti, noin 50 vuoden kuluttua loppusijoituksesta lämpöteho on jo alentunut puoleen siitä, mitä se oli sijoitushetkellä. Kallion diffusiviteetti on sellainen, että kapseleista tuleva lämpöenergia leviää ympäröivään kalliotilavuuteen melko hitaasti aiheuttaen kallioon lämpötilaeroja ja kapselien lähellä lämpötila nousee merkittävästi. Kapselien sijoittelulla toisiinsa nähden voidaan mitoittaa koko loppusijoitustila siten, että esiintyvä korkein lämpötila ei ylitä mitoituksen perustana olevaa lämpötilarajaa, + 100 C. Kun kapselien sijoittamiseen kuluu aikaa joitakin vuosikymmeniä, on myös yksittäisten kapselien sijoittamishetkellä paikan lisäksi vaikutusta kapselissa esiintyvään maksimilämpötilaan. Samaten muutaman vuosikymmenen aikaerolla mahdollisesti tapahtuva loppusijoitustilan toisen kerroksen käyttöön kohdistuu lämpövuorovaikutusta aikaisemmin sijoitetusta kerroksesta. Tässä raportissa suoritetaan yksi- tai kaksikerroksisen loppusijoitustilan lämpötekninen mitoitustarkastelu Olkiluodon kallioperän mittauksiin perustuvilla kallion lämpöteknisillä ominaisuuksilla. Samalla kuvataan loppusijoitustoiminnan mahdollisten häiriöiden ja muutosten lämpöteknistä vaikutusta ja niihin varautumista loppusijoitustilan käytössä ja mitoituksessa.

3 2 LÄMPÖTEKNISET MITOITUSPERUSTEET 2.1 Kallion lämpötekniset ominaisuudet Kallion tiheyttä pidettiin vakiona 27 49 kgm- 3, joka vastaa mittausten keskiarvoa. Samaten kallion lämpökapasiteettia pidettiin vakiona 784 Jkg- 1 K- 1, joka on mittausten keskiarvo +60 C:ssa. Lämmönjohtavuudelle käytettiin arvoa 2,61 Wm- 1 K- 1, joka vastaa Olkiluodon mittausten keskiarvon lämpötilakorjattua arvoa +60 oc:ssa. Edellä mainituista perussuureista laskemalla saatava diffusiviteetti on 1,21 10-6 m 2 s- 1 Kallion suureet perustuvat Olkiluodon kallionäytteiden mittausiin (Kukkonen 2000). Olkiluodon kallioperän lämpötila syvyydellä -500 m on (Raiko 1996) mukaisesti noin + 12 C ja lämpötilagradientti on 1,4-1,5 C (100 mr 1 2.2 Bentoniittiibufferin lämpötekniset ominaisuudet Kapselia ympäröivän bentoniitin lämmönjohtavuutena on aikaisempien laskelmien mukaisesti pidetty arvoa 0,75 wm- 1 K- 1, joka vastaa kompaktoidun bentoniitin ilmakuivan tilan arvoa. Vedellä saturoituneen bentoniitin lämmönjohtavuus on kaksinkertainen, noin 1,5 wm- 1 K- 1 Hentoniittikerroksen paksuus kapselin ympärillä on 350 mm. Arvot perustuvat SKB:n mittauksiin ja niihin on viitattu lähteessä (Raiko 1996). Pitkän ajan kuluessa hentoniittikerros joka tapauksessa saturoituu pohjaveden vaikutuksesta, jolloin lasketut kapselilämpötilat ovat konservatiivisia. 2.3 Polttoaineen jälkilämpöteho Käytetyn BWR-polttoaineen jälkilämmön tuotto on arvioitu suoritettujen ORIGEN 2.1 - laskelmien avulla eri poistapalaman ja väkevöintiasteen arvoilla. Laskelmat on suorittanut Markku Anttila, VTI Energia. Lämmöntuotto on esitetty graafisesti logaritmisella asteikolla aikaväliltä 0, 1-10000 vuotta erilaisilla poistopalamilla kuvassa 1. Samaten käytetyn VVER-polttoaineen jälkilämmön tuotto on arvioitu ORIGEN 2.1 -laskelmien avulla. Eri polttoaineiden lämmöntuotto on varsin samankaltainen. Laskelmiin on viitattu lähteessä lähteessä (Raiko 1996). Erilaisten polttoaineiden lasketut jälkilämmöntuotot poistopalaman, rikastusasteen ja ajan funktiona on esitetty taulukoissa 1 ja 2.

4 Taulukko 1. Käytetyn Olkiluodon BWR-ydinpolttoaineen jälkilämmön tuottoja (W/tU) poistapalaman ja jälkijäähdytysajan funktiona. Poistopalama (MW dlkgu) 23 30 35 40 45 Rikastusaste (%) 2,3 3,0 3,3 3,6 3,8 Teho Teho Teho Teho Teho (W/tU) (W/tU) (W/tU) (W/tU) (W/tU) 1 6780 7734 8487 9244 10340 2 3488 4134 4656 5194 5960 3 2154 2651 3056 3479 4082 4 1517 1930 2267 2620 3127 5 1192 1553 1845 2154 2597 10 768,20 1021 1222 1435 1745 20 614,3 802,9 951,8 1109 1345 30 524,7 676,0 795,7 921,8 1118 40 453,8 576,9 675,1 778,1 944,3 50 396,3 497,7 579,2 664,7 808,3 100 233,9 278,2 316,6 356,5 440,8 200 143,7 160,0 176,2 192,7 240,6 300 116,2 126,3 136,8 147,1 181,4 600 76,20 81,70 87,30 92,60 111,9 1000 48,80 52,70 56,60 60,30 72,50 2000 24,10 26,80 29,10 31,60 37,80 3 000 18,20 20,40 22,40 24,50 29,20 6000 14,00 15,70 17,20 18,80 22,40 10 000 11,00 12,30 13,30 14,40 17,30

5 Taulukko 2. Käytetyn Loviisan VVER-440-ydinpolttoaineen jälkilämmön tuottoja (W /tu) poistopalaman ja jälkijäähdytysajan funktiona. Poistopalama (MW dlkgu) 30 36 42 42 Rikastusaste (%) 3,6 3,6 3,6 4,0 Teho Teho Teho Teho (W/tU) (W/tU) (W/tU) (W/tU) 1 9330 10800 13200 12900 2 4760 5700 7050 6830 3 2940 3590 4480 4340 4 2070 2570 3220 3120 5 1620 2030 2550 2470 10 1030 1280 1580 1540 20 798,0 988,0 1200 1180 30 670,0 826,0 997,0 976,0 40 572,0 703,0 843,0 825,0 50 493,0 605,0 723,0 707,0 75 356,0 436,0 517,0 503,0 100 274,0 335,0 395,0 382,0 200 158,0 190,0 220,0 209,0 300 126,0 149,0 170,0 161,0 600 82,60 96,30 108,0 103,0 1000 54,00 62,80 70,50 67,50 2000 28,03 32,70 37,10 35,80 3000 22,00 25,30 28,80 27,90 6000 17,02 19,60 22,20 21,60 10000 13,60 15,40 17,30 16,80

6 100000 BWR -polttoaineen jälkilämmön kehitys 10000 1000 100 10-23MWd/kgU """' - 30MWd/kgU 35 MWd/kgU ' ' _,, " 0,1 10,0-40MWd/kgU ' ::::-- - 45MWd/kgU... '-"'- r... ;;:......, "''I ;::... 'i"".. 1000,0 Kuva 1. Käytetyn BWR-ydinpolttoaineen jälkilämmön tuottoja poistapalaman ja jälkijäähdytysajan funktiona. 2.4 Kapselikohtaisen lämpötehon määrä ja sen optimointi Kun kaikki kapselit ovat käytännön syistä saman kokoisia ja kaikkiin on luonnollista sijoittaa yhtä monta polttoainenippua, on kapselikohtaisia lämpötehoja tasattava sekoittamalla kuhunkin kapseliin sopivassa suhteessa sekä vanhaa, jäähtynyttä polttoainetta että nuorempaa, mahdollisesti korkeamman poistapalaman omaavaa jätettä. Kapseliin sijoitettavien polttoainenippujen valinta on ohjelmoitu (Raiko 1996) sijoitussuunnittelussa käytettäväksi tietokoneohjelmaksi, joka vuosittaisten polttoainekertymien, poistopalamien ja laitosten käyttöajan avulla. tekee tarvittavan optimoinnin seuraavien sääntöjen mukaisesti: o Nippukohtaisen jälkijäähtytysajan tulee olla vähintään 20 vuotta o Kapselikohtaisten lämpötehojen tulee olla mahdollisimman samansuuruisia o o Kaikkiin kapseleihin tulee sijoittaa 12 nippua Loppusijoitus tulee toteuttaa mahdollisimman nopeasti mutta kuitenkin tasaisella nopeudella Loppusijoituslaitoksen toiminta-aika ja kapasiteetti on määrättävä kahden aikataulupyykin perusteella. Lähtökohdaksi on kiinnitetty, että loppusijoitus on aloitettava vuonna 2020. Toinen lähtökohta on se, että kunkin tuotetun käytetyn polttoaine-erän tulee olla vähintään 20 vuotta jälkijäähdytyksessä. Näiden kahden ajallisen reunaehdon suhteen loppusijoitustoiminta on ajoitettava. Investointien kannalta optimaalisin tilanne saavu-

7 tetaan, kun rakennettavaa loppusijoituslaitosta käytetään koko ajan tasaisella maksimikapasiteetilla. Loppusijoituksen aikataulu voi käytännössä olla noin kaksi kertaa nopeampi kuin jätteiden tuottaminen. Muutoin viimeiset polttoaine-erät eivät ehdi jäähtyä riittävästi ennen loppusijoitusta. Oheisissa taulukoissa 3 ja 4 sekä kuvissa 2 ja 3 on laskelmien perusteella määritelty loppusijoitusaikataulu, joka sisältää perustapauksen sekä varautumisen uuteen voimalaitosyksikköön. Perustapaus on, että nykyisiä ydinvoimalaitoksia käytetään 40 vuotta, loppusijoitus aloitetaan vuonna 2020 ja loppusijoitustoiminta (lämmöntuotto- ja säteilytasosyistä) kestää vähintään 23 vuotta eli päättyy siis vuonna 2043. Y dinvoimalaitoksistamme kertyvää polttoainemäärää perustapauksessa kuvaa diagrammi kuvassa 2 ja ydinvoimalaitosten käytön ja loppusijoitustoiminnan suunniteltuja aikatauluja esittävä diagrammi on kuvassa 3. Yhteenvedet eri laitostyyppien polttoainenippujen loppusijoitussuunnittelusta on esitetty liitteessä 2 perustapauksessa (P) ja optiona olevassa tapauksessa (Yt). Perustapauksessa (P) kapselien lämpötehot kapselointihetkellä ovat keskimäärin 1702 W OL-polttoainekapseleille ja 1318 W Lo-kapseleille. Varauksena olevassa 60 vuoden käyttöön perustuvassa tapauksessa (Y 1 ) vastaavat tehot ovat keskimäärin 1838 W OL-polttoainekapseleille ja 1358 W Lo-kapseleille. Vaihtoehdossa (Y 1 ) havaittava pieni keskimääräisen jälkitehotason nousu johtuu siitä, että kapselikohtainen polttoaine on siinä tapauksessa hieman vähemmän jäähtynyttä. Keskimääräiset jäähtymisajat on esitetty taulukossa 5.

8 Taulukko 3. Loppusijoitustoiminnan ja voimalaitosten käyttöiän aiheuttamat aikataulujen riippuvuudet. Mitoituksessa käytettävä perustapaus (P) on lihavoitu ( 40 -vuoden käyttöikä). Toisella rivillä varauksena (Y 1 ) oleva tilanne, jossa nykyisiä laitoksia käytetään 60 vuotta ja Loviisan käyttökerroin on perustapauksessa oletetun 85% sijasta 90%. Voima- Voima- Voima- Koko- Loppu- Loppu- Loppu- Loppulaitos- laitos- laitos- nais- sijoitus- sijoitus- sijoitus- sijoitusten ten käy- ten käy- uraani- toimin- toimin- kapasi- kapasikäyttö- tön aloi- tön lo- määrä nan nan teetti teetti aika tusvuosi petus (tu) aloitus lopetus (tu/a) kapseaikai- leina sintaan (kplla) 40 (P) 1978 2020 2602 2020 2043 113 61 60 (Yt) 1978 2040 4002 2020 2064 91 50 Taulukko 4. Loppusijoitustoiminnan ja lisävarauksena olevan uuden voimalaitoksen aikataulujen riippuvuudet. Ensimmäisellä rivillä on mitoituksessa käytettävä perustapaus (P), joka perustuu nykyisten laitosten 40-vuoden käyttöikään. Toisella rivillä uuden varauksena (Y 2 ) olevan voimalaitoksen tuottama lisäpolttoainemäärä. Sen loppusijoitus tapahtuu välittömästi perustapauksen polttoaineiden loppusijoituksen jälkeen. Kolmannella rivillä on varauksena oleva (Y 1 ) nykyisten laitosten käyttö 60 vuoden ajan. Neljännellä rivillä on uuden varauksena olevan voimalaitoksen polttoaineen (Y 3 ) loppusijoitusaikataulu siinä tapauksessa, että nykyisiä laitoksia käytetään 40 sijasta 60 vuotta. V arauksena on siis kaksi vaihtoehtoista tilannetta (P)+ (Y 2) tai (Y 1 )+ (Y 3). Voima- Voima- Voima- Koko- Loppu- Loppu- Loppu- Loppulaitos- laitos- laitos- nais- sijoitus- sijoitus- sijoitus- sijoitusten ten käy- ten käy- uraani- toimin- toimin- kapasi- kapasikäyttö- tön aloi- tön lo- määrä nan nan teetti teetti aika tusvuosi petus (tu) aloitus lopetus (tu/a) kapseaikai- leina sintaan (kplla) 40 (P) 1978 2020 2602 2020 2043 113 61 60 (Y2) 2010 2070 2400 2044 2092 49 23 60 (Yt) 1978 2040 4002 2020 2064 91 50 60 (Y3) 2010 2070 2400 2065 2092 86 41

9 Polttoainekertymät perustapauksen (P) mukaan 900 800 700 600 :a 500 c 5 400 Loi Lo2 DOLI ol2 1 1-1- 1-300 200 100 0 - rm -.----r-.-.- -.. 1 1 1 r- - - - - 11111111 111111111111111111 $ ; 'V o,'b 'V# 'V'V 'V# 'V# 4:+:, rf'"\:) VUOSILUKU 1- Kuva 2. Eri ydinvoimalaitosyksiköiden polttoainekertymäennuste perustapauksessa (P). LAITOSTEN KÄYTÖN JA LOPPUSIJOITUSTOIMINNAN AIKATAULU 1 1 1 1 Olkiluoto 40 20 Loviisa _[ Jl 1 VARAUS JA 1 1 1 PERUSTAPAUS 1 l 0 Käyttöjakso 28 20 OVaraus 1 1 1 1 1 1 1 1 Uusi voiimla 60 1 1 1 1 1 1 1 1 Loppusijoitus - 23 1 49 1 1 1 1 1 1 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 VUOSILUKU Kuva 3. Ydinvoimalaitosten käytön ja loppusijoitustoiminnan aikatauluvaihtoehdot nykyisten laitosten käytön perustapauksessa (P) keltaisella esitettynä ja varauksena esitetyssä tapauksessa (P)+(Y 2 ), joka on aikajanaan merkitty valkoisella.

10 2.5 Loppusijoitustilan sijoituskaavio ja kiinnitetyt mitat KBS-3 -tyyppiseen loppusijoitukseen tarvittavat tilat on alustavasti suunniteltu (Riekkola et al. 2000) mukaisesti. Kuvassa 4 on esitetty loppusijoitustilan järjestelyjä. Kuva 4. Loppusijoitustilan periaatekaavio vasemmalla ja oikealla kapselien sijoitusreikien järjestely loppusijoitustunnelissa. Lämpötilalaskennat ja minimisijoitusetäisyyksien määrittäminen suoritettiin viitteen (Raiko 1996) mukaisin menetelmin. Laskentatapauksina analysoitiin lämpötiloja perusratkaisun mukaisessa suorakaiteen muotoisessa (n. 700 m x 500 m) loppusijoitustilassa. Taulukossa 5 on esitetty eri tapausten vakiona pidetyt numeeriset lähtötiedot Loppusijoitustunnelit sijaitsevat 25 m etäisyydellä toisistaan yhdessä tai vaihtoehtoisesti kahdessa kerroksessa. Loppusijoitustilan alueen muoto tai laajuus ei juuri vaikuta esiintyvään maksimilämpötilaan, sillä käytännössä sama maksimilämpötila saavutetaan jo tunnelissa, jonka molemmilla puolilla on 3 tai useampia samanlaisia rinnakkaisia loppusijoitustunneleita. Kapselia kohti oleva maksimaalinen jälkilämpöteho asettaa loppusijoitustilalle geometrisia rajoituksia; mitä suurempi maksimiteho, sitä kauempana toisistaan on kapselien loppusijoitustunneleissa sijaittava.

11 Taulukko 5. Tietoja laskelmassa käytetyistä tiedoista polttoaineista, loppusijoituskapseleista ja niiden sijoittelusta loppusijoitustilassa 23 vuoden pituisessa perustapauksen (P) ja 43 vuoden mittaisessa (Y 1 ) tapauksen loppusijoitussuunnitelmassa. Painotettu jälkijäähdytysaika tarkoittaa, että nippukohtaisesti laskettu kokonaislämmöntuotto (liitteen 2 laskelmien mukaisesti eri tapauksissa) on redusoitu siten keskimääräiseksi, että koko Olkiluodon polttoainemäärän lämmöntuottoa voidaan kuvata taulukon 1 poistopalamaa 35 MW d/kgu vastaavan tehoriippuvuuden avulla ja koko Loviisan polttoainemäärän lämmöntuottoa taulukon 2 poistopalamaa 36 MW d/kgu vastaavan tehoriippuvuuden avulla. Olkiluodon polttoaine Lovösan polttoaine Kapselin ulkohalkaisij a [mm] 1052 1052 Kapselin korkeus [mm] 4800 3600 Bentoniittikerroksen paksuus kapselin ympärillä [mm] 350 350 Latauksen keskimääräinen nippupalama [MW dlkgu] 33,5 35,9 Todellinen jäähtymisaika [a] 20-43 20-43 Keskimääräinen painotettu jälkijäähtymisaika, tapaus P/Y 1 [a] 29,3125,2 24,5122,8 Loppusijoitusjakson pituus, tapaus P/Y 1 [a] 23143 23143 Keskimääräinen lämpöteho kapseloitaessa, tapaus P/Y 1 [W/tU] 8071871 9151943 Uraania yhteensä, tapaus P/Y 1 [tu] 184512694 7571 1304 Uraanimäärä 12 nipun kapselissa [tu] 2,11 1,44 Kapselien lukumäärä yhteensä, tapaus P/Y 1 [kpl] 8721 1275 5261906 Loppusijoitustunneli pareja yhteensä [kpl] 20-40 20-40 Sijoitustunnelien etäisyys toisistaan [m] 25 25 Tunnelien pituus keskustunnelista lukien enintään [m] 250 250

12 2.6 Loppusijoituslaitoksen käytön kuvaus ja aikataulu Optimaalisinta laitoksien, työvoiman ja kaluston käyttö on silloin, kun toiminta on jatkuvaa. Kapseleiden loppusijoitustehokkuuden tulee olla yhtä suuri kuin kapselointilaitoksen tuotantokapasiteetti. Pieniä puskurivarastoja on vain käyttöhäiriöiden varalle- ei sen takia, että ei kyetä sovittamaan kapasiteetteja yhteen. Loppusijoitustunneleita louhitaan lisää sitä mukaan kuin tarve vaatii. Tunneleita voidaan louhia samassa tahdissa kuin polttoainekapseleita tuotetaan tai sitten vaihtoehtoisesti tehokkaammin urakointiperiaatteella. Loppusijoitustunneleita varustellaan ja loppusijoitusreikiä porataan tietyssä vaihesiirrossa tunneleiden louhintaan nähden. Loppusijoitustunnelit täytetään sitä mukaan, kun polttoainekapseleita loppusijoitetaan. Muutoin kapselien ympärillä loppusijoitusrei 'issä oleva hentoniitti vettyessään laajenisi ja menettäisi tiiveytensä. Paisuva hentoniitti voisi myös työntää kapselin pois paikoiltaan loppusijoitusreiässä, ellei se olisi täyteaineella tuettu yläpuolelta. Käytännössä yhteen tunnelipariin mahtuu noin 50 kapselia eli lähes vuoden sijoitustarve. Tunnelipari tarkoittaa keskustunnelin kahden puolen samalla kohdalla olevia umpiperäisiä tunneleita, joihin kapselit sijoitetaan. Sijoittaminen aloitetaan aina tunnelin perältä ja tunnelia täytetään jaksoittain aina, kun yksi tai kaksi kapselia on siihen sijoitettu. Aikataulullisesti tämä merkitsee, että kapseleita sijoitetaan noin 1 kappale viikossa ja yksittäisen tunneliparin täyttämiseen menee lähes vuosi. Loppusijoitustoiminnan kokonaisaikataulu ja ydinvoimalaitosten käytön aikatauluvaihtoehtoja on esitetty edellä kuvassa 3. 2. 7 SailiHavien lämpötilojen määräytymisperusteet Bentoniitin kemiallinen stahiilius on varmistettava hyvin pitkiksi ajoiksi loppusijoitusratkaisun pitkäaikaisturvallisuuden vuoksi. Tästä syystä kapselien ympärillä olevan hentoniitin lämpötila on rajoitettava siten, että se ei pitkiä aikoja olisi+ 100 C:n yläpuolella. Korkein sallittava lämpötilan nousu kapseleissa on rajoitettava 80 C:een, kun hentoniitin maksimilämpötila halutaan rajoittaa + 100 C:hen. Näiden lukujen ero, 20 C, muodostuu kallioperän alkuperäisestä lämpötilasta loppusijoitushetkellä, + 15 C:stä, ja jäljellä oleva 5 C:een marginaali jätetään kapselien lämpötehon, kallion paikallisten ominaisuuksien ja hentoniitin mahdollisesti epätäydellisen turpoamisen vaatimaksi varmuudeksi. Loppusijoitustunneleissa kapselien IDinimietäisyydet toisistaan on nyt esitetyissä tapauksissa valittava laskelmiin perustuen ja optimoiden siten, että ennustettu lämpötilan nousu pysyy sallituissa rajoissa.

13 3 KAPSELIEN VÄHIMMÄISETÄISYYKSIEN LASKENTA 3.1 Laskentamenetelmän kuvaus Loppusijoitustilan lämpötila-analyysejä erilaisilla kapseli- ja sijoitteluvaihtoehdoilla tehtiin REPTEM-tietokoneohjelmalla (Hautojärvi et al. 1987). Ohjelma laskee ajasta riippuvien viivalähteiden aiheuttaman epästationäärisen lämpötilakentän analyyttisen ratkaisun äärettömän suuressa kolmiulotteisessa kappaleessa. Maan pinnan tasolle voidaan laskentamallissa asettaa peilisymmetrinen reunaehto, jonka avulla maan pinnan lämpötila voidaan määrätä pysymään vakiona. Tällä tavoin voidaan kuvata kallion pinnasta maaperään, veteen ja ilmakehään siirtyvän lämmön aiheuttama reunaehto, joka pitkällä aikavälillä (satojen... tuhansien vuosien) on melko tarkkaan vakio. 3.2 Laskentamenetelmän validointi REPTEM-ohjelman käyttöä loppusijoitustilan lämpötekniseen optimointiin on vertailtu muilla menetelmillä laskettuihin vastaavanlaisiin laskelmiin viitteissä (Hautojärvi et al. 1987), (Raiko 1996) ja (Löfman 2001). Viimeksi mainitussa viitteessä on vertailu myös Olkiluodon kallioperän ominaisuuksien anisotrooppisuuden vaikutuksia kapselien korkeimpiin lämpötiloihin. 3.3 Laskentatapauksien kuvaus ja tulosten raportointi Käyttäen kohtien 2.1 ja 2.2 mukaisia materiaalien fysikaalisia ominaisuuksia ja taulukon 5 mukaisia kapseli-, polttoaine- ja loppusijoitustietoja suoritettiin REPTEM-tietokoneohjelmalla seuraavat lämpötilatarkastelut. Laskelmat tehtiin erikseen Olkiluodon ja Loviisan polttoaineille, jotka kuitenkin näillä jälkijäähtymisajoilla ja kapselikonstruktioilla johtivat varsin samanlaisiin lopputuloksiin. Kuvissa 5 ja 6 on esitetty lopputuloksena perustapauksessa (P) ja optiona olevassa tapauksessa (Y 1 ) saadut suurimmat lämpötilanousut eri tyyppisten kapselien pinnalla loppusijoitustilassa. Suurin lämpötilanousu esiintyy kapseleissa 15-20 vuoden kuluttua loppusijoituksen tapahduttua. Kapselin metallirungon lämmönjohtavuus on niin suuri (yli satakertainen kallioon verrattuna), että kapselin pinnan lämpötila kaikkialla metallivaipassa on käytännössä tiettynä ajanhetkenä täsmälleen vakio.

14 88 86,-... 82 u '--"' 80 '1::) 78 OLKILUOTO (lambda=2,61) -e- Y-tapaus 84 -e- P-tapaus 76 74 72 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 OL-polttoainekapselien etäisyys (m) Kuva 5. Olkiluodon polttoainekapselien korkein lämpötilan nousu perustapauksessa (P) tai optiona olevassa tapauksessa (Y 1 ) kapselien etäisyyden funktiona!-kerroksisen loppusijoitustilan tapauksessa Olkiluodon kallioperässä. OLKILUOTO (lambda 2,61) 83 82 -e-y-tapaus 81 -e-p-tapaus 80,-... u 79 '--"' '1::) 78 77 76 75 74 8,5 9 9,5 10 Lo-polttoainekapselien etäisyys (m) Kuva 6. Loviisan polttoainekapselien korkein lämpötilan nousu perustapauksessa (P) tai optiona olevassa tapauksessa (Y 1 ) kapselien etäisyyden funktiona!-kerroksisen loppusijoitustilan tapauksessa Olkiluodon kallioperässä.

15 3.4 Kapselien sijoitusetäisyydet 1-kerroksisessa loppusijoitustilassa Korkein sallittava lämpötilan nousu kapseleissa on rajoitettava 80 C:een, kun bentoniitin maksimilämpötila halutaan rajoittaa+ 100 C:hen. Tällä perusteella saadaan kuvista 5 ja 6 seuraavat vähimmäisetäisyydet kapseleille 1-kerrosratkaisun mukaisessa loppusijoituksessa eri tapauksissa, jotka on esitetty taulukossa 6. Etäisyydet on valittu 0,5 m tarkkuudella siten, että laskennallinen lämpötilanousu on enintään 80 C. Taulukko 6. Kapselien vähimmäisetäisyydet toisistaan Olkiluodon kallioperässä Olkiluodon ja Loviisan pohtoaineilla perustapauksessa (P) ja optiona olevassa tapauksessa (Y 1 ). Perustapaus (P) olettaa, että kaikki nykyisiä ydinvoimalaitosyksiköitä käytetään 40 vuotta ja (Y 1 ) tapauksessa 60 vuotta. Yt-tapauksen vaatimat suuremmat kapselietäisyydet johtuvat keskimäärin vähemmän jäähtyneestä polttoaineesta, mistä aiheutuu kapselia kohti suurempi lämmöntuotto. Taulukkoon on merkitty myös loppusijoitustilan pintaalaa kohti lasketut suurimmat jälkilämmöntuotot (sijoitushetkellä). Valituilla kapselietäisyyksillä maksimi jälkilämmöntuotto loppusijoitustilan projisoitua pinta-alaa kohti on yksikerrosratkaisussa noin 6-8 wm- 2 Suurin teho pinta-alaa kohti esiintyy Olkiluodon polttoaineen loppusijoituksen perustapauksessa (P). Perustapaus (P) Olkiluodon polttoaine 8,5 m (8,01 wm- 2 ) Loviisan polttoaine 9,0 m (5,86 wm- 2 ) Optio (Yt) 10m (7,35 wm- 2 ) 9,5 m (5,72 wm- 2 ) 3.5 Toisen kerroksen etäisyyden vaikutus kapselien maksimilämpötiloihin Jos loppusijoitustilaa joudutaan laajentamaan tai eheät kalliovyöhykkeet ovat sen muotoisia, että jo suoritetun 1-kerrostyyppisen loppusijoituksen lisäksi haluttaisiin sijoittaa samalle alueelle lisää polttoainetta toiselle syvyystasolle (toiseen kerrokseen), on suoritettu seuraavia lämpöteknisiä tarkasteluja. Laskelmilla varmistetaan, että kapselien jäähdytys kalliossa on riittävä, toisin sanoen, kapselien maksimilämpötila ei nouse hyväksyttävää lämpötilaa korkeammaksi. Kaksikerrostapauksessa ensin on sijoitettava toinen kerros kokonaisuudessaan kuten yksikerrostapauksessa. Sen jälkeen rakennetaan tarvittaessa toinen sijoituskerros aiemmin suoritetun sijoitustason ylä- tai alapuolelle riittävälle etäisyydelle siten, että aiemmin sijoitetun kerron lämpövaikutus ei ehdi merkittävästi vaikuttaa toisen kerroksen maksimilämpötilaan. Kun eri kerrosten sijoitustoiminnassa on käytännön syistä 10-30 vuoden aikaero, on myös tämä aika-ero otettava huomioon eri kerrosten lämpökuorman vuorovaikutuksessa. Vielä voidaan todeta, että myöhemmin sijoitettavan kerroksen vuorovaikutus aikaisemmin sijoitetun kerroksen kapselien maksimilämpötilaan ei ehdi merkittäväksi, kun taas aikaisemmin sijoitetun kerroksen lämpövaikutus ehtii hyvinkin vaikuttaa myöhemmin sijoitettavan kerroksen kapselien maksimilämpötilaan. Tämä vai-

16 kutus vielä korostuu, jos eri kerrosten sijoitustoiminnan aikataulullinen ero on suurempi, esim. 30 vuotta. Jos molempien kerrosten kaikki kapselit sijoitettaisiin teoreettisesti samanaikaisesti kallioon, olisi eri kerrosten vuorovaikutus toisiinsa luonnollisesti symmetrinen. Kaksikerrosratkaisun lämpötilat laskettiin siten, että yksikerrosratkaisun lämpötilahistoriaan summattiin (superponoitiin) yhden kerroksen lämpötilojen vuorovaikutus toisen kerroksen etäisyydellä ja lisäksi toisen kerroksen loppusijoitusajankohtaa varioitiin siten, että toinen kerros sijoitettaisiin 0, 10, 20 tai 30 vuotta myöhemmin kuin ensimmäinen kerros. Kerrosten välisenä etäisyytenä on laskelmissa käytetty 70, 80, 90, 100 ja 110 metriä. Kaksikerrostapausta laskettaessa mitoittavana loppusijoitustapauksena pidettiin Olkiluodon polttoainetta ja perustapausta (P), koska tässä tapauksessa jälkilämmön tuotto pinta-alayksikköä kohti on suurin taulukon 6 mukaisesti. Tällöin myös eri kerrosten välinen lämpövuorovaikutus on suurin. Tulokset on esitetty liitteen 1 piirroksina, yhteensä 20 eri graafina. Tuloksista näkyy selvästi, että kapselin korkean lämpötilan jakso loppusijoituksessa pitenee kaksikerrosratkaisussa huomattavasti. Toinen havainto on, että maksimilämpötila saavutetaan myöhemmin kuin 1-kerrostapauksessa. Kolmas havaittava ilmiö on, että korkein kapselin lämpötila kasvaa, jos eri kerrosten sijoitusajankohdan aikaero kasvaa 10, 20 tai 30 vuodeksi. Kuvaava aikaero on loppusijoitustoiminnan alkamisajan ero eri kerroksissa tai täsmällisemmin aikaero päällekkäin olevien kohtien loppusijoitttamiselle eri kerroksissa. Jotta myöhemmin sijoitettavan kerroksen kapselien maksimilämpötila ei nousisi sallittua korkeammaksi, on kerrosten välistä etäisyyttä (korkeuseroa) kasvalettava tai vaihtoehtoisesti kapselien etäisyyttä toisistaan on kasvatettava. Liitteessä 1 esitetyistä lukuisista laskentatapauksista voidaan piirtää kuvan 7 mukaiset yhteenvedot lämpötilariippuvuuksista.

17,-..._ u..._, "'C Kapselin lämpötilanousu eri kerrosväleillä ja aikaerolla 87 kaksikerrosratkaisussa 86 --70m 85 --80m 90m 84 --100m 83-110m 82 81 80 79 78 0 10 20 30 Kerrosten täyttämisen aikaero (y) Kuva 7. Kapselin suurimman lämpötilanousun riippuvuus 2-kerrosratkaisun kerrosten välisestä etäisyydestä (70, 80, 90, 100 tai 110m) ja eri kerrosten loppusijoitustoiminnan aikaerosta (0, 10, 20 tai 30 vuotta). Kapselien etäisyys toisistaan loppusijoitustunneleissa on Olkiluodon polttoaineen laskentatapauksen (P) mukaisesti 8,5 m molemmissa kerroksissa ja tunnelien välinen etäisyys toisistaan on molemmissa kerroksissa 25 m. 3.6 Kapselien etäisyyksien ja kerroksien välisen etäisyyden mitoitussuositus Yksikerrosratkaisun kapselietäisyydet on esitetty taulukossa 6 ja sen perusteena on kuvien 5 ja 6 mukaiset kapselien maksimilämpötilojen riippuvuudet kapselien välisistä etäisyyksistä. Taulukon 6 etäisyydet on ilmaistu pyöristettynä turvalliselle puolelle 0,5 metrin tarkkuudella. Kaksikerrosratkaisussa ensimmäisenä sijoitettava kerros voidaan mitoittaa kuten yksikerrosratkaisu, toisin sanoen kaksikerrosratkaisun käyttöönottoa ei tarvitse päättää eikä huomioida ensimmäisen kerroksen loppusijoituksen lämpöteknisessä mitoituksessa. Toisin sanoen, kapselien etäisyydet voidaan valita taulukon 6 mukaan. Toisen kerroksen etäisyydeksi ensimmäisestä on syytä valita kuvan 7 käyrien perusteella 100 m, jolloin kumpaankin kerrokseen voidaan sijoittaa kapseleita taulukon 6 mukaisin etäisyyksin eri kerrosten täytön aikaeron ollessa enintään 15 vuotta. Kuvan 7 käyrät pätevät sekä P- että Y 1 -tapauksille ja Olkiluodon taikka Loviisan polttoaineille, koska ne on laskettu konservatiivisesti Olkiluodon polttoaineen P-tapauksen mukaan, missä tapauksessa lämpöteho LS-tilan pinta-alaa kohti on taulukon 6 mukaisesti suurin.

18 Mikäli aikaero kerrosten täytön välillä venyy pidemmäksi, on jälkimmäisenä täytettävässä kerroksessa kapselit sijoitettava hieman pidemmin etäisyyksin toisistaan kuin taulukko 6 vaatii. Jos kerrosväli on 100 metriä ja sijoitustoiminta etenee toisen kerroksen sijoittamiseen noin 15 vuoden kuluessa ensimmäisen kerroksen sijoitustoiminnan aloittamisesta (tyypillisesti tapaus (P)), voidaan toisessakin kerroksessa kapselit sijoittaa taulukon 6 mukaisilla etäisyysvaatimuksilla. Jos kerrosten sijoittamisen aikaero on yli 15 vuotta (tyypillisesti tapaus (Y 1 ) ), on jälkimmäisenä sijoitettavassa kerroksessa käytettävä pidempiä kapselietäisyyksiä kapselien maksimilämpötilan pitämiseksi sallituissa rajoissa. Yllä esitetyssäkin tilanteessa mitoitus voidaan tehdä kuvien 7, 5 ja 6 avulla. Jos esimerkiksi 100 metrin kerrosvälillä aikaa on kulunut vaikkapa 30 vuotta, nähdään kuvasta 7, että kapselien maksimilämpötilan nousu (dt) nousisi 2 C sallittavan 80 C:n yli. Nyt katsomalla kuvista 5 tai 6 kyseessä olevan tapauksen mukaisesti voidaan havaita, että kasvattamalla toisen kerroksen kapselien välisiä etäisyyksiä 0,5 metriä (esimerkiksi Olkiluodon polttoaineelia P-tapauksessa 9,0 m:ksi, Y 1 -tapauksessa 10,5 m:ksi tai Loviisan polttoaineen P-tapauksessa 9,5 m:ksi ja Y 1 -tapauksessa 10,0 m:ksi), saadaan maksimilämpötilanousu taas putoamaan noin 2 C ja siten hyväksyttävälle alueelle. Edellä selostetussa on oletettu, että kaksikerrosratkaisu toteutetaan siten, että ensin sijoitetaan toinen kerros kokonaan ja sen jälkeen sijoitetaan toinen kerros. Mikäli loppusijoitus toteutettaisiin molemmissa kerroksissa samanaikaisesti, muodostuisi kerrosten sijoitustoiminnan väliseksi aikaeroksi 0 vuotta. Tällöin kuvan 7 mukaan 80 m kerrosväli olisi riittävä muiden ominaisuuksien ja olettamuksien säilyessä muuttumattomana. Tällöinkin on luonnollisesti molempien kerrosten täyttäminen aloitettava samalta reunalta ja sijoitustoiminnan tulee edetä samaan tahtiin ja samaan suuntaan. Kuten edellä esitetystä selviää, loppusijoitustilan mitoituksessa on aina useita mahdollisuuksia säätää esimerkiksi lämpötilaa. Lämpöteknisten reunaehtojen lisäksi käytettävissä olevia kalliotilavuuksia ja toisaalta rakentamis- ja sulkemiskustannuksia optimoiden ovat loppusijoitustilan lopulliset layoutit ja mitat kaikissa olosuhteissa määrättävissä.

19 4 LOPPUSIJOITUSTOIMINNAN HÄIRIÖIDEN JA SUUNNITTELUMUUTOSTEN VAIKUTUS LÄMPÖTILAMITOITUKSEEN Kuvissa 8 ja 9 esitetään kapselin maksimilämpötilan syntymiseen vaikuttavia osatekijöitä. Kuvan 9 mukaan yksittäisessä sijoitustunnelissa olevan kapselirivin maksimilämpötilanousu olisi 71 C ja se saavutettaisiin jo 5 vuoden kuluessa, minkä jälkeen kapselin lämpötila alkaisi alenemaan. Kun kuitenkin sijoitustunnelin molemmin puolin on (yleisessä tapauksessa) useita rinnakkaisia sijoitustunneleita 25 metrin välein, aiheutuu niistä tarkasteltavaankin tunneliin ja siinä oleviin kapseleihin lisää lämpötilan nousua, jota esittävät kuvan 8 käyrät. On huomattava, että kyseisenlaista lämpötilan nostoa aiheutuu yksittäiseen tunneliin molemmilta puolilta, ellei kyseessä ole loppusijoitusalueen reunalla oleva tunneli. Loppusijoitustoimissa sijoitetaan keskimäärin noin 1 tunnelillinen kapseleita vuodessa. Näin yksittäisen tunnelin maksimilämpötilat ovat varsin tarkkaan samoja kuin tehdyissä lämpöteknisissä mitoituslaskelmissa, joissa oletetaan kaikkien kapselien sijoitus samanaikaisesti. Todellisuudessa siis tunnelin toisella puolella olevat lähimmät 2-3 tunnelia, jotka on sijoitettu aiemmin, lämmittävät tarkkailtavaa kohdetta hieman nopeammin kuin toiselle puolelle tulevat seuraavat 2-3 tunnelia, jotka sijoitetaan vasta muutaman vuoden kuluessa. Näin sijoitustyön edetessä säännöllisenä rintamana loppusijoitustilan laidasta laitaan tunnelien sijoitushetken aikaerot kompensoituvat sillä, että toisella puolella olevat naapuri on sijoitettu vuotta ennen ja toiselle puolelle tuleva naapuritunneli vasta vuotta myöhemmin. Edellä kerrotusta prosessista johtuen loppusijoitustoiminnan tulee olla säännöllistä, jotta mitoituslaskelmat pitäisivät paikkansa. Tästä johtuen seuraavanlaiset ohjeet loppusijoitustoiminnassa ovat tarpeen ja niistä poikkeaminen vaatii erikoistarkastelun: o Loppusijoitustoiminnan tulee edetä säännöllisesti alueen yhdestä reunasta toiseen. o Loppusijoitusrintamassa olevaa tunnelia ei saa jättää käyttämättä, se on lämmettyään kelvoton sijoitustoimintaan. o Sama pätee yksittäiselle kapselin loppusijoitusrei"älle, jälkeenpäin ei lämmenneeseen kallioblokkiin ei saa lisätä edes yksittäistä kapselia. o Kaksikerrosratkaisun osalta pätee sama säännöllisyyden vaatimus, ensin toinen kerros laidasta laitaan, sitten toinen kerros samoin perustein, teoriassa edullinen ratkaisu olisi täyttää molempia kerroksia samanaikaisesti, mutta tämä tapaus on käytännössä hankala toteuttaa. o Kaksikerrosratkaisussa jälkimmäisen kerroksen sijoitusrintaman tulisi edetä samaan suuntaan kuin ensimmäisessäkin, jotta eri alueilla eri kerrosten loppusijoitusajanhetkien ero pysyisi likimain saman suuruisena. o Kaksikerrosratkaisussa kerrosten täyttämisen eriaikaisuus (aikaero) lisää kerrosten välistä lämpövuorovaikutusta kuvan 7 mukaisesti. o Kapselien etäisyyden toisistaan ja tunnelien etäisyyden toisistaan samoin kuin eri kerrosten etäisyyden toisistaan tulee täyttää niille määrätyt minimimäärät, ellei kyseistä alitusta ole kompensoitu jonkun muun etäisyyden suurentamisella. Tämä on huomioitava sellaisessa tapauksessa, kun observational-method -periaatteen mukaisesti loppusijoitustilan layout"ia saatetaan kallio-olosuhteista johtuen joutua paikallisesti muuntelemaan.

20 o Mikäli loppusijoitustoiminta keskeytyy jostain syystä useammaksi vuodeksi, ei sen jatkaminen ole mahdollista samoilla lämpömitoitusarvoilla, vaan uuden sijoitustoiminnan aloituspaikan lisäetäisyyttä aiemmin päättyneeseen rintamaan nähden on pääteltävä kuvan 8 ja esimerkkinä olevan kuvan 9 käyrien avulla. Yksinkertaisemmin sijoituspaikan soveltuvuuden voi myös päätellä lämpötilamittauksilla. Jos aiottu kapselin sijoituspaikka on lämmennyt esimerkiksi yli 1 C kallion normaalista peruslämpötilasta ( + 12 C), on tilanne mitoituksen suhteen tarkasteltava erikseen. Kuvan 9 esimerkin mukaan 5 vuoden katkos loppusijoitustoiminnassa nostaa seuraavaksi sijoitettavan tunnelin kapselien maksimilämpötilaa 2 C ja esimerkiksi 10 vuoden katkos 3 C, ellei etäisyyksiä muuteta. Yhden kapselitunnelin lämpövaikutus 25, 50 ja 75 m etäisyydellä 8 7-25m 6-50m 5-75m...--._ u '-" 4 ""0 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 Kuva 8. Yksittäisen sijoitustunnelin lämpövaikutus ympärillä oleviin tunneleihin. Tämän suuruinen lämpövuorovaikutus on kaikilla sijoitustunneleilla kaikkiin suuntiin, siis tunnelia edeltäviin ja tunnelia toisella puolella seuraaviin naapuritunneleihin.

21 90,0 5 vuoden toimintakatkoksen vaikutus kapselien lämpötilanousuun katkoksen jälkeen sijoitettavassa tunnelissa 80,0 70,0 60,0 Q 50,0 "1::l 40,0 y r-- -r-- - Tunnelin omien kapselien vaikutus - Tulevien tunnetien vaikutus ------- 30,0 20,0 r-- f-- - Aikaisempien tunnetien vaikutus - Summavaikutus 10,0 0,0 ::::::------- 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 Kuva 9. Yksittäisessä sijoitustunnelissa olevan kapselin lämpötilan nousu koostuu samassa tunnelissa olevien kapselien yhteisvaikutuksesta sekä sen ympärillä olevien tunneleiden aiheuttaman lämmön lisävaikutuksesta siihen. Tässä kuvassa alin violetti kuvaaja kuvaa tulevaisuudessa sijoitettavien tunnelien aiheuttamaa lämpötilan nousua tarkasteltavassa tunnelissa oleviin kapseleihin ja toiseksi alin vihreä kuvaaja kuvaa aikaisemmin sijoitettujen, siis tunnelin toisella puolella olevien, naapuritunnelien vaikutusta tarkastelun kohteena olevaan tunneliin olettaen, että loppusijoitustoiminnassa on ennen tätä tarkastelun kohteena olevan tunnelin kapselien sijoittamista ollut 5 vuoden katkos (tauko loppusijoitustoiminnassa). Summavaikutus osoittaa, että kyseinen katkos aiheuttaa katkoksen jälkeen sijoitettavan tunnelin kapseleihin noin 2 C suuremman lämpötilanousun kuin tasaisella tahdilla sijoitettaessa, vertaa liitteen 1 kuvien käyrästöjen "1-tason vaikutus" -käyriin. Yllä olevassa kuvassa vihreä kuvaaja on sama kuin alin violetti kuvaaja, paitsi, että sitä on siirretty aikajanalla 5 vuotta vasemmalle, siis aikaisemmaksi, 5 vuoden toimintakatkoksesta johtuen. Mikäli halutaan tarkastella jonkin muun ajan mittaisia katkoksia ja niiden vaikutuksia lämpötilanousuun, on yllä olevan käyrästön vihreää kuvaajaa vastaavasti siirrettävä vasemmalle tai oikealle katkoksen pituutta vastaava määrä ja päivitettävä summavaikutus.

22 5 YHTEENVETO Tässä raportissa on esitetty Olkiluodon kallioperään suunnitellun loppusijoitustilan lämpöteknisen mitoituksen perusteet, mitoitusmenetelmät, loppusijoitustilan materiaalien ja loppusijoitettavan ydinpolttoaineen fysikaaliset ominaisuudet, kapselikohtaisen polttoainenippuvalinnan perusteet ja tulokset, loppusijoitettavaksi kertyvän polttoaineen ennustetut laadut ja määrät, loppusijoitustilan lämpöteknisen mitoituksen sekä yksi- että kaksikerrosratkaisussa sekä loppusijoitustoiminnassa, suunnitelmien tai käyttötoiminnan muutoksissa tai häiriöissä noudatettavat periaatteet. Aivan oleellinen materiaaliparametri loppusijoitustilan lämpöteknisessä mitoituksessa on loppusijoitustilan kallioperän diffusiviteetti eli lämmönjohtavuuden ja tilavuusyksikköä kohti lasketun lämpökapasiteetin suhde. Olkiluodon kallioperän lämmönjohtavuus on tähän mennessä reikänäytteistä tehtyjen mittausten mukaan varsin alhainen, keskimäärin 2,61 wm- 1 K- 1 Mikäli myöhemmät kallioperätutkimukset osoittavat, että lämmönjohtavuus on parempi (tai huonompi), on lämpötekninen mitoitus päivitettävä. Jos lämmönjohtavuus olisi 3,0 wm- 1 K- 1 muiden parametrien pysyessä muuttumattomina, alenisi kapselien maksimilämpötila 5 C, mikä on jo varsin merkittävä muutos. Mikäli loppusijoitustoiminta jostain syystä viivästyy tai siihen tulee monien vuosien katkos, helpottuu viivästyksen jälkeen tapahtuvan loppusijoitustoiminnan lämpötilamitoitus siitä syystä, että välivarastossa olevan käytetyn polttoaineen lämpöteho alenee jälkijäähdytysajan pidentyessä. Vertailun vuoksi mainittakoon, että SKB on toistaiseksi joutunut tekemään oman loppusijoitustilansa lämpöteknisen mitoituksen hieman ylimalkaisemmin. SKB on olettanut kallion lämmönjohtavuuden olevan 3,0 tai enemmän ja toisaalta polttoaineen on oletettu olevan 30 vuotta tai pitempään jäähtynyttä. Kapselin korkeimmaksi sallituksi lämpötilaksi SKB on asettanut 90 C, joka on kymmenen astetta alhaisempi kuin meidän käyttämämme arvo. Näillä reunaehdoilla SKB on mitoittanut loppusijoitustilansa suunnitelmissaan siten, että tunnelien etäisyys toisistaan on 40 metriä ja kapselien etäisyys toisistaan on 6 metriä (Agesskog et al. 1999). Tämä mitoituslaskelma rajoittaa loppusijoitustilan lämpötilat sellaiselle alueelle, että bentoniitin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet eivät pitkäaikaisturvallisuuden kannalta vaarannu. Sen sijaan tämä laskelma ei ota kantaa lämpötiloista kallioon aiheutuviin mekaanisiin vaikutuksiin, kuten jännityksiin ja muodonmuutoksiin.

23 VIITTEET Ageskog, L. & Jansson, P., 1999. Heat propagation in and around the deep repository Thermal calculations applied to three hypothetical sites: Aberg, Beberg and Ceberg. Technical Report TR-99-02, SKB Ab. Hautojärvi, A., et. al., 1987. Effect of fuel bum-up cooling periods on thermal responses in a repository for spent nuclear fuel. Report YJT-87-21, Nuclear Waste Commission of Finnish Power Companies. Kukkonen, 1., 2000. Thermal properties of the Olkiluoto Mica Gneiss: Results of laboratory measurements. Working Report 2000-40, Posiva Oy. Löfman, J., 2001. The effect of an anisotropic bedrock on the temperature rise of the repository -preliminary study. Working Report 2001-17, Posiva Oy. Raiko H. & Salo, J.-P., 1999. Design report of the disposal canister for twelve fuel assemblies. Posiva Report 99-18. Raiko, H., 1996. Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen lämpötekninen optimointi. Posiva Report 96-03, Posiva Oy. Riekkola, R., Saanio, T., Kukkola, T. & Raiko, H., 2000. Loppusijoitustilojen esisuunnitelma, yhteenvetoraportti. Työraportti 2000-10, Posiva Oy.

LIITE 1 Sivu 1 (10) 2-kerrosta, 70 m väli, ei aikaeroa kerrosten välillä 90------------------------------------------------ 80+-----------=------------- t.i 70 '-" 60 ---------------------------------------------- ::s 0 50 ------------------------------------------------ :o 40 : 30 20 10 +-----------------------------=------------------- 0 +--------------------------------------- 1 10 100 1000 2-kerrosta, 70 m väli, 10 v aikaero kerrosten välillä 90-------------------------------------------------- sot--------- t.i 70 '-" 60 +----------------------------------------------- ::s 0. 50 ============---------------------------- = 40 : 30 --Summa vaikutus 20 +-============-------------------------------- 10 +-------------------------------------------------, 0 +-----------==---------------------- 1 10 100 1000

LIITE 1 Sivu 2 (10) 2-kerrosta, 70 m väli, 20 v aikaero kerrosten välillä 90.----------------------------------------------------- sor---------------------- tj 70 "-"' 60 +----------------------------------------------- r:/) ::s 0 50 +----------------------------------------------- ;;::::: :Ö 40 0.. Jj 30 20 --====---------------------------- 10 +----------------------------------------------- o ========------------------ 1 10 100 1000 2-kerrosta, 70 m väli, 30 v aikaero kerrosten välillä 90 ------------------------------------------------------ 80 T-------=-----------=----- tj 70 "-"' ::s 60 +------------------------------------------------- r:/) ::s 0 SOT-============--------------------------1 :Ö 40 0-t : 30 --Summavaikutus 20 +-============------------------------------ 10 +-----------------------=--------------------------- 0 +--------------------------------------------------- 1 10 100 1000

LIITE 1 Sivu 3 (10) 2-kerrosta, 80 m väli, ei aikaeroa kerrosten välillä 90 80 u 70 '-" ::s 00 60 ::s 0 50 :-;:::::... :o 40 8 30 :C\$ 20 10 0!-tason vaikutus 1 10 100 1000 2-kerrosta, 80 m väli, 10 v aikaero kerrosten välillä 90 80 t.>' 70 '--" ::s 60 (/) ::s 0 50 =..:s.,...;...- :o 40 s 30 :C\$ 20 10 0 - Summavaikutus 1 10 100 1000

LIITE 1 Sivu 4 (10) 2-kerrosta, 80 m väli, 20 v aikaero kerrosten välillä 90------------------------------------------------ 80 t:=========;::=j 70 ()'..._., 6Q T----------------------------------------------- (/) 50 :-;:::: :Ö 40 0.. : 30 20 T---==-------------------------- 10 +------------------------------------------------- 0 ====------------------ 1 10 100 1000 2-kerrosta, 80 m väli, 30 v aikaero kerrosten välillä u..._., 90-------------------------------------------------- 80 j------------------==--------- 70 =-=---------------------------------------_, 60 +----------------------------------------------- (/) 0 50 +--------------------------------------------------- :Ö 40 0.. : 30 --Summavaikutus 20 +-============------------------------ 10 +---------------------------=--=------------------------ 0 +--------------------------------------------------- 1 10 100 1000