Nuklidikulkeutuminen KYT2014 Loppuseminaari 18.3.2015 Mikko Voutilainen
Johdanto Suomessa kiteinen peruskallio on valittu käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituspaikaksi Peruskallio on radionuklidien viimeinen päästöeste Perusteellinen peruskallion ja sen kulkeutumisominaisuuksien tutkimus
Johdanto Radionuklidien kulkeutuminen raoissa voi hidastua: Radionuklidit kulkeutuvat peruskallion raoissa pääasiassa virtauksen mukana Vettä johtavien rakojen verkosto saattaa mahdollistaa radionuklidien etenemisen - Diffuusio huokoiseen kiveen - Sorptio mineraali- tai rakopintoihin Peruskallion ominaisuuksien ja vallitsevien kemiallisten olosuhteiden tunteminen on tärkeää D e, Diffuusio Sorptio Advektio K D Sorptio Diffuusio
KYT2014: Nuklidikulkeutuminen KYT2014 ohjelmakauden hankkeet: 1. Kallion in-situ tutkimukset, HYRL (2011-2014) 2. Kiven huokosrakenteen kuvantaminen tomografialla ja yhdistäminen matriisidiffuusiomallinnukseen, JYFL (2010-2012, 2013-2014) 3. Kolmenarvoisten aktinidien kiinnittyminen savi- ja (hydr)oksidimineraalien pinnoille, HYRL (2011-2012) 4. Radiohiilen kemialliset muodot ja sorptio kallioperässä, HYRL (2013-2014) 5. C-14 vapautuminen loppusijoituksessa, VTT (2011-2014)
KYT2014: Nuklidikulkeutuminen The long-term safety relevant nuclides* 14 C 108m Ag Pitkäaikaisturvallisuuden kannalta merkittäviä nuklideja 36 Cl 126 Sn 59 Ni 129 I 79 Se 135 Cs 90 Sr 226 Ra Merkittävien nuklidien analogeja: 133 Ba, Cm, Eu 91 Nb, 93m Nb, 94 Nb 229 Th 93 Mo 237 Np 99 Tc 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu 107 Pd 241 Am, 243 Am *Safety Case for the Disposal of Spent Nuclear Fuel at Olkiluoto, Posiva 2013-01. Muita nuklideja: HTO, 22 Na
1. Kallion in-situ tutkimukset Turvallisuusanalyysissä käytetyt pidättymistä kuvaavat parametrit on tyypillisesti määritetty laboratoriossa ja niiden vaikutusta on arvioitu alaspäin. Kulkeutumiskokeet in-situ olosuhteissa Grimselin vuorilaboratoriossa - Long term diffusion experiment 1: 22 Na, 131 I, 134 Cs, HTO ja 127 I (2007-2009) - Long term diffusion experiment 2: 22 Na, 36 Cl, 133 Ba, 134 Cs, HTO ja Se (5.3.2014 -) LTD monopole 2: Radionuklidien pitoisuuden vähenemä lähtöreiästä ja kasvu tarkkailureissä (n. 15 cm). HTO:n läpitulo havaittiin 0,1 tarkkailureiässä 202 päivän jälkeen. 0 50 100 150 200 250 300 350 Relative concentration C/C 0 0,9 1 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Time t [d] HTO Cl-36 Na-22 Cs-134 Ba-133
1. Kallion in-situ tutkimukset Ensimmäisen in-situ kokeen tulokset analysoitu (HTO, 22 Na, 131 I, 134 Cs) Kehitetty lämmityspolymerisointi C-14-PMMA menetelmään Tutkittu seleenin kulkeutumista ja pidättymistä 30 cm:n kiviblokeissa Tutkittu 0,020 cesiumin kulkeutumista ja pidättymistä Distribution coefficient K d (m 3 /kg) 0,016 0,012 0,008 0,004 Distribution coefficient K d (m 3 /kg) 0,4 0,3 0,2 0,1 4 mg/l 0.4 mg/l 0.04 mg/l Model Experimental 0,000 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 ph 0,0 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 C(Cs) (mol/l) AG AG 1,5 cm 1,5 cm
2. Kiven huokosrakenteen kuvantaminen tomografialla ja yhdistäminen matriisidiffuusiomallinnukseen Hankkeiden tavoitteena on ollut: Tutkia radionuklidien kulkeutumista kiteisen kiven heterogeenisessa huokos- ja mineraalirakenteessa Kehittää menetelmiä, joiden avulla voidaan tutkia pienen mittakaavan rakenteita Hankkeissa on hyödynnetty: Röntgentomografiaa C-14-PMMA menetelmää (yhteistyössä HYRL:n kanssa) Elektronimikroskopiaa (yhteistyössä GTK:n kanssa) Kulkeutumismallinnusta (yhteistyössä Poitiersin yliopiston kanssa) Hankkeissa on tutkittu: Tritioidun veden ja cesiumin kulkeutumista Sievin muuntunutta tonaliittia, Grimselin granodioriittia ja Olkiluodon juonigneissiä Yleisesti ottaen diffuusio on pienen mittakaavan ilmiö Mikrometri skaalan heterogeenisuuden vaikutus senttimetri skaalassa tapahtuvaan kulkeutumiseen
2. Kiven huokosrakenteen kuvantaminen tomografialla ja yhdistäminen matriisidiffuusiomallinnukseen Karakterisoitu kiteisen kiven heterogeenista mineraali- ja huokosrakennetta 3D:ssä Simuloitu HTO:n kulkeutumista Simuloitu cesiumin kulkeutumista Karakterisoitu puhtaiden mineraalien huokosrakennetta nanometriskaalassa Tutkittu cesiumin kulkeutumista hyödyntäen tomografiaa.
3. Kolmenarvoisten aktinidien kiinnittyminen savi- ja (hydr)oksidimineraalien pinnoille An 3+ : Cm 3+ (Pu 3+ ), Eu 3+ (Am 3+ ) Mineraalit (S): kaoliniitti, gibsiitti, -alumina Sorptio: S-OH + An 3+ S-O-An 2+ + H + Menetelmät: Eräsorptiokokeet Laserindusoitu fluoresenssispektroskopia (TRLFS) mineraali-pinnoille sorboituneiden aktinidien kemiallisen muodon (spesiaation) määrittäminen Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia (NMR) mineraalipinnoilla olevien hydroksyyliryhmien (S-OH) karakterisointi
3. Kolmenarvoisten aktinidien kiinnittyminen savi- ja (hydr)oksidimineraalien pinnoille Cm 3+ /Eu 3+ :n sorptio kaoliniittiin: Sorptio-% vs ph Fluoresenssispektrit eri ph:ssa Spesiekset ph:n funktiona Identifioidut spesiekset:
4. Radiohiilen kemialliset muodot ja sorptio kallioperässä Radionuklidi Spesiaatio Pidättyminen 14 C 14 CO 3 2- / 14 HCO 3-14 CH 4 Isotooppivaihto kalsiittiin Sorptio raudan oksideihin Muut orgaaniset
4. Radiohiilen kemialliset muodot ja sorptio kallioperässä Kalsiitin ja pohjaveden ollessa liukoisuustasapainossa kalsiittia saostuu ja liukenee yhtä suurin nopeuksin. Radiohiili voi pidättyä pohjavedestä kalsiittiin isotooppivaihtoreaktion CaCO 3 (s) + H 14 CO 3- (aq) Ca 14 CO 3 (s) + HCO 3- (aq) mukaisesti. Radiohiilen pidättyminen nopeutuu pohjaveden kalsiumpitoisuuden kasvaessa aina 10 mm asti, minkä jälkeen nopeus on käytännössä vakio.
5. C-14 vapautuminen loppusijoituksessa Objective: To investigate the release of 14 C during corrosion of activated steel in disposal conditions (cement-based repository) 14 C release rate and speciation speciation in both aqueous and gaseous phase especially the proportion of organic species is important for safety analyses due to high mobility Leaching experiments of 12 C with non-irradiated steel materials in simulated Loviisa groundwaters (in progress) crushed steel, steel powder, iron carbide (Fe 3 C) Leaching experiments of 14 C with activated steel samples (2016-2017) low-active core grid available from TVO These experiments are a part the project Carbon-14 Source Term, CAST, under 7 th Framework Programme of EURATOM (1.10.2013 31.10.2017)
[C], mmol/l 10 0.1 0.01 Results from leaching tests of 12 C with Loviisa steel and High Carbon Steel: 1 [C], 0.1 mmol/l Loviisa steel - simulated gw, ph 12.5 organic inorganic detection limit 0.001 0 200 400 600 800 1000 Leaching time, days 1 0.01 0.001 5. C-14 vapautuminen loppusijoituksessa High carbon steel- simulated gw, ph 8.5 10 organic inorganic detection limit 0 200 400 600 800 1000 Leaching time, days Loviisa steel: 0.08 % C, Carbon initially as interstitial atoms in the austenitic steel lattice (no Fe 3 C) High Carbon steel: 1.2 % C, Carbon initially mainly as Fe 3 C Dissolved inorganic (DIC) and organic carbon (DOC) vs. time from two leaching tests in each figure: T1: m/v=50 g/100 ml, T2: m/v= 25 g/100 ml Higher contents for DOC compared with DIC observed in the tests with both steel materials The DOC increased slightly with ph Lower contents for DOC in the tests with High carbon steel Possible contamination of the solid phases during the grinding process cannot be excluded New leaching experiments with carefully characterized steel and Fe powders (Fe 3 C) at starting stage, the preparation of the powders with gas atomization method and heat treatment (VTT)
KYT2014: Nuklidikulkeutuminen Yhteenveto 8 referoitua tieteellistä julkaisua, jonka lisäksi 3 lähetetty julkaistavaksi 5 raporttia, 3 referoitua konferenssijulkaisua ja 4 opinnäytetyötä Väitöskirjat: 1. Voutilainen, M., Characterization of structure and diffusion in geological materials, 2012. 2. Huittinen, N., Sorption of trivalent actinides onto gibbsite, -alumina, and kaolinite, 2013. "tutkimustoiminnan tavoitteena on varmistaa, että viranomaisten saatavilla on riittävästi ja kattavasti sellaista ydinteknistä asiantuntemusta ja muita valmiuksia, joita tarvitaan ydinjätehuollon erilaisten toteutustapojen ja menetelmien vertailuun