FI9900140 Työraportti 9918 POÄIV/4 TYÖ 0 **} JS Kemiallinen myrkyllisyys käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksessa Eerikki Raiko Po s iva Oy Henrik Nordman VTT Energia 3 04 2 Maaliskuu 1 999 Posivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia.
KEMIALLINEN MYRKYLLISYYS KÄYTETYN YDIN POLTTOAINEEN LOPPUSIJOITUKSESSA TIIVISTELMÄ 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 longterm 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
SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ Sivu ABSTRACT ALKUSANAT 3 1 JOHDANTO 4 2 KÄYTETYN YDINPOLTTOAINEEN LOPPUSUOITUS SUOMESSA 5 3 VEDEN LAATUA KOSKEVAT MÄÄRÄYKSET 7 4 LOPPUSIJOITUSKAPSELIN MATERIAALIT 9 4.1 Loppusijoituskapselin rakennemateriaalit 9 4.2 Polttoainenippujen rakennemateriaalit 11 4.2.1 Olkiluoto 11 4.2.2 Loviisa 11 4.3 Käytetyn ydinpolttoaineen sisältämät materiaalit 12 4.4 Kapselin ja sen sisällön koostumuksen valinta 12 5 TARKEMPAA TARKASTELUA VAATIVIEN AINEIDEN KARSINTA 15 5.1 Vaarattomat tai biosfäärissä yleiset aineet 15 5.2 Kallioperässä yleisesti esiintyvät aineet 15 5.3 Määrältään vähäiset aineet 15 5.4 Jalokaasut 16 5.5 Säteilymyrkylliset aineet 16 5.6 Yhteenveto pois tarkastelusta karsituista aineista 16 5.7 Tarkempaa tarkastelua vaativat aineet 16 6 LIUKOISUUDET 19 6.1 TELA99raportin 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 WELL96 24 8 VAPAUTUMINEN LOPPUSIJOITUS KAPSELISTA 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 Eiliukoisuusrajoitteiset aineet 27 8.4.1 Torium 29 9 PITOISUUDET KAIVOVEDESSÄ 31
10 YHTEENVETO 33 11 LÄHTEET 34 Liite 1. Olkiluodon voimalaitoksen polttoainenipun rakennemateriaalien 36 alkuainekoostumus Liite 2. Loviisan voimalaitoksen polttoainenipun rakennemateriaalien 37 alkuainekoostumus
ALKUSANAT Tämä tutkimus on tehty Posiva Oy:ssä liittyen käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituslaitoksen YVAmenettelyyn. 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 kuikeutumisanalyysien laskelmat sekä osallistunut työn valvontaan. Lisäksi VTT Energia on tarkistanut raportin lopullisen version.
1 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. Jäljellejääneiden myrkyllisten aineiden vapautumista ja kulkeutumista tarkastellaan laajemmin mm. FTRANS ja REPCOMtietokoneohjelmilla 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 kaasuaukkoosuus 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.
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 2040 vuotta. Sen jälkeen polttoaineniput kuljetetaan loppusijoituspaikkakunnalle kapseloitaviksi ja loppusijoitettaviksi. Kapselointi eli polttoainenippujen pakkaaminen kuparirautasäiliöihin tapahtuu kapselointilaitoksessa. Kapselit lasketaan kapselointilaitoksesta hissillä alas maan alle louhittuun loppusijoitustunnelistoon. Kuvassa 21 on esitetty loppusijoituslaitoksen maanpäälliset ja maanalaiset osat.,,. r. HeiMJökulhi. *,. v Kapselin j ; i siiitokuilu If, Ke3ku3tunneli Lopptöijoitustmuielit Kuva 21. 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 tunnelien louhinnan yhteydessä syntyneen kivimurskeen seoksella. Loppusijoitustilojen sulkemisen yhteydessä tunnelit tukitaan myös betonitulpilla useista kohdista. Kuvassa 22 on esitetty loppusijoitustunnelin poikkileikkaus.
. Turmelin tä (Mvimuxske ja bentdiuitti) f Bento niitti. ; $ Loppusijoituskap3el Kuva 22. Loppusijoitustunnelin poikkileikkaus. Kuparista ja pallografiittiraudasta valmistettavien loppusij oituskapselien rakenne esitellään kohdassa 4.1.
3 VEDEN LAATUA KOSKEVAT MÄÄRÄYKSET Sosiaali ja terveysministeriön päätöksessä [5] on määritelty enimmäispitoisuuksia talousvetenä käytettävän veden epäpuhtauksille. Selkeästi myrkyllisille aineille (taulukko 31) rajat on asetettu terveydellisin perustein, mutta useille muille aineille (taulukko 32) 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 32 aineiden osalta, koska ko. rajat eivät perustu terveydellisiin haittoihin. Taulukoissa 31 ja 32 ei ole lueteltu kaikkia päätöksessä mainittuja aineita, vaan niihin on koottu päätöksessä mainitut, loppusijoituskapselin rakenteeseen ja sisältöön kuuluvat alkuaineet. Enimmäispitoisuudet on ilmoitettu myös yksikössä mol/l, koska se on yleisesti käytetty yksikkö liukoisuuksien yhteydessä. Taulukko 31. Talousveden terveydelliset laatuvaatimukset [5]. Alkuaine Lyhenne Enimmäispitoisuus (mg/l) Enimmäispitoisuus (mol/l) Antimoni Arseeni Barium Boori Elohopea Kadmium Kromi Lyijy Molybdeeni Nikkeli Seleeni Sb As Ba B Hg Cd Cr Pb Mo Ni Se 0,005 0,01 0,7 0,3 0,001 0,005 0,05 0,01 0,07 0,02 0,01 4,MO" 8 1,310' 5,MO" 6 2,810' 5 5,010" 9 4,410' 8 9,610"' 4,810" 8 7,310' 3,410"' 1,310' Taulukko 32. Talousveden teknisesteettiset laatuvaatimukset [5]. Alkuaine Lyhenne Enimmäispitoisuus (mg/l) Enimmäispitoisuus (mol/l) Alumiini Hopea Kupari Magnesium Mangaani Rauta Sinkki AI Ag Cu Mg Mn Fe Zn 0,2 0,01 1,0 50 0,05 0,2 3,0 7,410" 6 9,31O" 8 l,610' 5 2,M0" 3 9,110' 3,610' 6 4,610" 5
Ylläolevat pitoisuusrajat noudattavat pääsääntöisesti Maailman terveysjärjestö WHO:n suosituksia [6]. Ainoastaan kadmiumin (0,003 mg/1), mangaanin (0,1 mg/t) ja raudan (0,3 mg/l) pitoisuusrajat ovat WHO:n suosituksissa Suomen säädöksiin nähden erilaiset. WHO on antanut teknisesteettisten vaikutuksiin perustuvien maksimipitoisuussuositusten lisäksi terveysvaikutuksiin perustuvat maksimipitoisuussuositukset kuparille (2 mg/l) ja mangaanille (0,5 mg/l) [6]. WHO on antanut myös kemialliseen myrkyllisyyteen perustuvan suosituksen juomaveden uraanipitoisuudesta (0,002 mg/l) [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 säteilyannos. Uraanin maksimipitoisuussuositus 0,002 mg/i vastaa arvoa 8,410 9 mol/l.
4 LOPPUSIJOITUSKAPSELIN MATERIAALIT 4.1 Loppusijoituskapselin rakennemateriaalit Käytetty ydinpolttoaine loppusijoitetaan noin 500 m:n syvyyteen peraskallioon 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 kupaiiosa 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 41. Kuva 41. Olkiluodon ja Loviisan ydinvoimalaitosten käytetyn polttoaineen loppusijoituskapselit. Kapselin pallografiittiraudasta valmistetun sisäosan alkuainejakauma esitetään taulukossa 41.
10 Taulukko 41. 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 42 mukainen puhtaustavoite. Taulukko 42. Loppusijoituskapselin kupariosan tavoitekoostumus [10,11]. Alkuaine Lyhenne Osuus Kupari Cu > 99,99% Rikki S < 8 ppm Happi O < 3 ppm Fosfori F 4060 ppm Vety H < 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 43. 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) Zircaloy2 Zircaloy4 Ruostumaton teräs (SIS 2333) Inconel X750 275 204 48 6 Rakennemateriaalien alkuainekoostumukset esitetään liitteessä 1. 4.2.2 Loviisa Loviisan ydinvoimalaitoksessa on käytetty kahta erilaista polttoainenipputyyppiä; tavallisia sekä säätösauvojen jatkona olevia nippuja. Molemmista tyypeistä on olemassa uudemmat ja vanhemmat versiot. Näiden neljän eri polttoainenippumallin sisältämät rakennemateriaalit ovat seuraavanlaiset [13]: Taulukko 44. Loviisan ydinvoimalaitoksen polttoainenippujen rakennemateriaalit. Materiaali Vanha tavallinen nippu (kg/nippu) Uusi tavallinen Vanha Uusi followernippu followernippu nippu (kg/nippu) (kg/nippu) (kg/nippu) ZrNbl% ZrNb2.5% Ruostumaton teräs 40,280 17,630 19,880 41,200 13,268 18,645 40,280 17,630 24,290 41,200 13,268 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. 1213), 13 (s. 11)]. Kemiallisen myrkyllisyyden tarkastelun osalta käytetylle ydinpolttoaineelle käytetään perustapausten mukaisia oletuksia, eli Olkiluodon polttoaineelle 3,3 %:n U235väkevöintiastetta ja poistopalamaa 36 MWd/kgU sekä Loviisan polttoaineelle 3,6 %:n U235väkevöintiastetta ja poistopalamaa 36 MWd/kgU. 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 käytöstäpoiston jälkeen ja vähenee sen jälkeen nopeasti. Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoittaminen toteutetaan Suomessa aikaisintaan 20 vuotta käytöstäpoiston jälkeen, joten tiettyjen aineiden tapauksessa päädytään tällä tavoin varsin konservatiivisiin arvioihin. Erityisesti aktinidien hajoarnissarjojen 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 hajoarnissarjojen välituotteita, on määrä suurimmillaan jossakin 0 ja 10 6 vuoden välillä käytöstäpoiston 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 45.
13 Taulukko 45. Loppusijoituskapselin ja sen sisällön alkuaineiden suurimmat määrät. Alkuaine Lyhenne Määrä (g/kapseli) 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 AI Am Sb Ba B Br Ce Cs Cm Dy Eu P Gd Ge Hf 0 He C Ag In I Cd Ca Cl Co Cr Kr Cu La Pb Mg Mn Mo Na Nd Np Ni Nb Pd Si Pu Pr Pm Ra 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 Jatkuu seuraavalla sivulla
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 Telluun 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 vaarattomia tai elollisessa luonnossa hyvin yleisesti esiintyviä aineita, joiden mahdollisella vapautumisella loppusijoituskapselista ei ole merkitystä. Taulukon 43 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 liukeneva pii on määrältään merkityksettömän 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 biosfääriin tarkastelevassa WELL96 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/l) 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/l. Vähäisen määränsä perusteella tarkastelusta voidaan poistaa taulukon 43 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 / 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 talousvedessä. 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 biosfääriin 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 karsituista aineista Kohdissa 5.15.5 tarkemmista tarkasteluista karsitut aineet on koottu taulukkoon 51. 5.7 Tarkempaa tarkastelua vaativat aineet Kappaleissa 5.15.5 tehtyjen karsintojen jälkeen taulukon 45 aineista tarkempaa käsittelyä vaativat aineet on lueteltu taulukossa 52. Neodyymiä, niobiumia ja palladiumia lukuun ottamatta kaikki taulukon 52 alkuaineet kuuluvat viitteessä [15] käytetyn kolmiportaisen vaarallisuusluokituksen (Hazard Rating, HR) vaarallisimpaan ryhmään. Tämä tarkoittaa sitä, että niiden LD50arvo on pienempi kuin 400 mg/kg. LD50arvo (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 51. Tarkemmista tarkasteluista karsitut aineet. Alkuaine Lyhenne Määrä (g/kapseli) Tarkastelusta karsimisen perusta Alumiini Amerikium Antimoni Barium Boori Bromi Curium Dysprosium Fosfori Germanium Happi Helium Hiili Hopea Indium Kadmium Kalsium Kloori Krypton Magnesium Natrium Neptunium Pii Plutonium Prometium Radium Rikki Seleeni Tantaali Terbium Vanadiini Volframi Xenon AI Am Sb Ba B Br Cm Dy P Ge 0 He C Ag In Cd Ca Cl Kr Mg Na Np Si Pu Pr Ra 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 säteilymyrkyllisyys vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) säteilymyrkyllisyys vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vaaraton tai yleinen biosfäärissä vaaraton tai yleinen biosfäärissä vaaraton tai yleinen biosfäärissä 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 ja vaaraton tai biosfäärissä vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) säteilymyrkyllisyys vaaraton tai yleinen biosfäärissä säteilymyrkyllisyys vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) vähäinen määrä (alle 100 g/kapseli) ja säteilymyrkyllisyys 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 yleinen
18 Taulukko 52. Tarkempaa tarkastelua vaativat loppusijoituskapselin sisältämät aineet. Alkuaine Cerium Cesium Europium Gadolinium Hafnium Jodi Koboltti Kromi Kupari Lantaani Lyijy Mangaani Molybdeeni Neodyymi Nikkeli Niobium Palladium Praseodyymi Rauta Rodium Rubidium Ruteeni Samarium Strontium Teknetium Telluuri Tina Titaani Torium Uraani Vismutti Yttrium Zirkonium Lyhenne Ce Cs Eu Gd Hf I Co Cr Cu La Pb Mn Mo Nd Ni Nb Pd Pr Fe Rh Rb Ru Sm Sr Te Te Sn Ti Th U Bi Y Zr Määrä (g/kapseli) 6060 6720 423 346 243 564 102 51300 7500000 2820 904 113000 7710 9280 160000 10800 3490 2580 13100000 989 820 6910 1970 2000 1760 1210 15700 1180 459 2050000 919 1050 1010000 Moolimassa (g/mol) 140,115 132,90543 151,965 157,25 178,49 126,90447 58,9332 51,9961 63,546 138,9055 207,2 54,93805 95,94 144,24 58,69 92,90638 105,42 140,90765 55,847 102,9055 85,4678 101,07 150,36 87,62 98 127,6 118,71 47,88 232,0381 238,0289 208,98037 88,90585 91,224 Maara (mol/kapseli) 43,3 50,6 2,8 2,2 1,4 4,4 1,7 987 118000 20,3 4,4 2060 80,4 64,3 2730 116 33,1 18,3 235000 9,6 9,6 68,4 13,1 22,8 18,0 9,5 132 24,6 2,0 8610 4,4 11,8 11100
19 6 LIUKOISUUDET 6.1 TILA99raportin mukaiset liukoisuudet Eri alkuaineiden liukoisuuksille käytetään samoja arvoja kuin radionuklidien kulkeutumisen tarkastelun yhteydessä [3] niiltä osin kuin se on mahdollista. Taulukon 52 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 eisuolaiseen 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 52 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]. TJLA99raportissa [3] käsitellään lantanideista ainoastaan samariumia. Sen liukoisuus on kummankin lähteen mukaan 110" 5 mol/l. Tämä yhdenmukaisuus lisää eri lähteistä otettujen liukoisuusarvojen keskinäistä vertailukelpoisuutta. 6.3 Mittaustuloksiin perustuvat arviot Posivan vuosina 19801992 tekemissä Hästholmenin saaren pohjavesitutkimuksissa suurin mitattu pohjaveden lyijypitoisuus oli 310" 8 mol/l [19]. Tästä arvosta konservatiiviseen suuntaan arvioimalla lyijyn liukoisuudeksi valitaan 110" 7 mol/l. Posivan kaikkien tutkimusalueiden pohjavesiä käsittelevässä raportissa [20] suurin mistään mitattu pohjaveden mangaanipitoisuus on 610" 5 mol/l. Tästä arvosta konservatiiviseen suuntaan arvioimalla mangaanin liukoisuudeksi valitaan 110 4 mol/l. 6.4 Kemialliset analogiat Useille harvinaisemmille aineille ei ole saatavilla liukoisuusarvoja. Jaksollisessa 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 hafhiumin 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 TILA99raportissa [3] käytetty liukoisuutta 1 10' 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 61.
21 Taulukko 61. Tarkasteltavien alkuaineiden liukoisuuksia. Alkuaine Lyhenne Liukoisuus (mol/l) Cerium Cesium Europium Gadolinium Hafnium Jodi Koboltti Kromi Kupari Lantaani Lyijy Mangaani Molybdeeni Neodyymi Nikkeli Niobium Palladium Praseodyymi Rauta Rodium Rubidium Ruteeni Samarium Strontium Teknetium Telluuri Tina Titaani Torium Uraani Vismutti Yttrium Zirkonium Ce Cs Eu Gd Hf I Co Cr Cu La Pb Mn Mo Nd Ni Nb Pd Pr Fe Rh Rb Ru Sm Sr Te Te Sn Ti Th U Bi Y Zr 810" 2 ei Hukoisuusrajaa 310' 6 MO" 6 510" 8 ei Hukoisuusrajaa MO" 4 MO" 4 MO" 3 ei Hukoisuusrajaa MO" 7 MO" 4 ei Hukoisuusrajaa ei Hukoisuusrajaa M(T 4 MO' 3 MO" 8 310" 2 MO' 4 MO' 8 ei Hukoisuusrajaa MO' 8 MO" 5 MO' 3 51O 8 MO" 6 MO" 6 MO" 8 510" 7 31O' 7 MO" 7 31O" 9 51O 8
22 7 LASKUMENETELMAT 7.1 REPCOM Materiaalien vapautuminen loppusijoituskapselista kallioperään tarkastellaan REPCOMtietokoneohjelmalla tehdyillä laskuilla. REPCOMlähialuemallissa kapselin sisältöä ja lähialueen vapautumisesteitä mallinnetaan 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. REPCOMmalli 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 71. QTDZI Kapseli Bentoniitti Bentoniitti & murske Kuva 71. Laskuissa käytetty lähialueen kulkeutumismalli. Kapselin sisätiloja on kuvattu yhdellä kompartrnentilla, jonka tilavuus on Olkiluodon nippuja sisältävälle 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 bentoniittikerros on jaettu 22 radiaalisuuntaiseen kompartmenttiin ja kapselin
23 päällä oleva 1,5 m:n korkuinen bentoniittikerros on jaettu pystysuunnassa 20:een kompartrnenttim. 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 71 olevat Q F, Q DZ ja Q^^ ovat veden virtaamat ko. kompartmenteista kallioperään. Niiden laskuissa käytetyt arvot esitetään kohdassa 82. Kullekin kulkeutumislaskuissa tarkasteltavalle aineelle tarvitsee tietää sen määrä, sijainti kapselissa, liukoisuus, sorboitumis ja diffuusioominaisuudet 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 mallinnetaan 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 o pohjavedessä vastaa etäisyydellä L ajanhetkellä t konsentraatio C f : C f (L,t) = C o erfc [ut~ in ] (71) jossa erfc on matemaattisen virhefunktion komplementtifunktio erfc z = 1 erf z = 7= f e~' 2 dt (72) ja u on ko. aineen kulkeutumisominaisuuksia tarkasteltavalla reitillä kuvaava parametri (73) jossa p on kalliomatriisin huokoisuus (), D e on efektiivinen diffuusiotekijä halkeamasta kalliomatriisiin (m 2 /s), R p on ko. aineen pidätystekijä kalliomatriisissa (), W on virtauskanavien yhteysleveys kallion poikkipintaalaa kohti (m/m 2 ), L on kulkeutumismatka (m), q on pohjaveden vuo kalliossa (mvnra) ja t on aika (a). Eisorboituvilla aineilla R p = 1 ja kohtalaisesti tai voimakkaasti sorboituvilla aineilla pätee (74)
24 jossa K d on sorboitumista kuvaava tilavuuteen pohjautuva jakautumistekijä (mvkg) ja p s on kallion tiheys (kg/m 3 ). Näillä perusteilla parametri u saadaan muotoon: r ] U ei.sorboi t um~[ e p D e\ sorboituva WL 1 WL C 75 ) Kaavoissa esiintyvä tekijä WL/q on virtausvastus. Sen yksikkö on a/m, eli mitä suurempi virtausvastus on, sitä heikommin tarkasteltava aine kulkeutuu. Laskuissa käytettäväksi virtausvastukseksi on valittu MO 4 a/m. Se vastaa raon avaumaa 0,5 mm, raon leveyttä 1 m, virtausnopeutta 120 m/aja virtauskanavan pituutta 600 m. Kaukokulkeutumislaskut on suoritettu elementtimenetelmään perustuvalla FTRANStietokoneohjelmalla. Ohjelma käyttää yllä kuvattua vastaavaa numeerista laskumenetelmää ja ottaa tarvittaessa huomioon kalliomatriisin heterogeenisyyden, joka ei ole mukana edellisissä yhtälöissä. FTRANSohjelma on esitetty tarkemmin viitteissä [22,23]. 7.3 WELL96 WELL96 on käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen TILA96turvallisuusanalyysissä [4] käytetty yksinkertainen malli, jolla muunnetaan loppusijoituskapseleista biosfääriin vapautuvien radionuklidien määrä ihmisille aiheutuvaksi säteilyannokseksi. WELL96 on annosmuunnoskertoimien osalta päivitetty versio aikaisemmasta WELL 94mallista [24]. Loppusijoituksen turvallisuusanalyysit ovat osoittaneet, että merkittäviä säteilyannoksia (annosnopeus» 1 u.sv/a) voi aiheutua vain siinä tapauksessa, että loppusijoitustilojen läheisyyteen tehdään porakaivo, jonka vettä käytetään juomavetenä [4]. Loppusijoitustiloista biosfääriin vapautuvien aineiden vuotuisen päästön oletetaan laimenevan 100000 m 3 :iin pohjavettä ja yksittäisen ihmisen oletetaan juovan saastuneen kaivon vettä 500 l/a. Näin ollen yksittäinen saastuneen kaivon vettä juova ihminen saa juomavetensä mukana osuuden 510" 6 vuotuisesta radionuklidipäästöstä. Loppusijoituksen kemiallisen myrkyllisyyden tarkastelussa käytetään samaa laimenemisoletusta, eli loppusijoitustiloista biosfääriin vapautuvien aineiden vuotuisen päästön oletetaan laimenevan 100000 m 3 :iin pohjavettä. Tähän vesimäärään syntyneitä pitoisuuksia vertaillaan laissa määrättyihin talousveden suurimpiin sallittuihin ainepitoisuuksiin. Muilta osin WELL96mallia ei tässä tarkastelussa käytetä.
25 8 VAPAUTUMINEN LOPPUSIJOITUSKAPSELISTA 8.1 Aineiden sijainti loppusijoituskapselissa Tarkasteltavista aineista koboltti, kromi ja titaani esiintyvät polttoainenippujen teräsosissa, hafnium nippujen zircaloyosissa, 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 10* 6 alkuinventaarista. Polttoainenippujen zircaloyosien 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 Q F = 5 l/a, Q DZ = 50 l/a ja Q TOZI = 2000 l/a ja kallion virtausvastus WL/q on 110 4 a/m. Em. virtaamat ovat suurimmat TILA99anaIyysissä käytetyt virtaamat, eli kyseessä on eräänlainen herkkyystarkastelu. Virtaamien 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 81. Taulukko 81. Laskuissa käytettyjä parametrien arvoja. Parametri Valittu arvo Virtaama Q F Virtaama Q DZ Virtaama Q TOZi Kallion virtausvastus WL/q Kaasuaukkoosuus 5 l/a 50 l/a 2000 l/a MO 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 loppusi]oituskapselia. 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 halkeamisen, joka leikkaa loppusijoitustilat ja vaurioittaa useita kapseleita. Tällaisen tapahtuman muodostama riski on hyvin pieni, mutta sen arviointi ei ole mahdollista kovin konkreettisella tasolla [4 (s. 151)]. 8.3 Liukoisuusrajoitteisten aineiden kulkeutuminen TTLA99analyysin alustavissa laskuissa suurin efektiivinen veden virtaama kapselin sisältä bentoniitin läpi edelleen kallioon on noin 9 l/a. Näissä tarkasteluissa virtaamalle käytetään arvoa 10 l/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 virtaamalla 10 l/a kestää vähintään 10 6 vuotta eli polttoainematriisin oletetun rapautumisen ajan. Tällä perusteella taulukon 61 liukoisuusrajoitteisista aineista cerium, europium, gadolinium, koboltti, niobium, praseodyymi, samarium, strontium ja torium joudutaan käsittelemään tarkempien kulkeutumislaskujen avulla käyttämättä liukoisuusrajaa. Myös kromin ja telluurin liukoisuusrajojen mukaiset vapautumisajat jäävät vain vähän alle 10 6 vuoden, mutta ne jätetään silti liukoisuusrajoitteisten aineiden joukkoon. Kaikkien muiden taulukon 61 liukoisuusrajoitteisten aineiden loppusijoituskapselista kallioon vapautunut vuotuinen määrä saadaan kertomalla liukoisuus virtaamalla 10 l/a. Vuotuinen vapautuminen on esitetty taulukossa 82. 8.3.1 Lyijyn muodostuminen Lähes kaikki käytetyssä ydinpolttoaineessa syntyvä lyijy muodostuu uraanin hajoarnissarjan (4N+2) lopputuotteena. Yksi kyseisen hajoamissarjan välivaiheista on Rn222, joka voi vapautua loppusijoituskapselista kaasuna ja kulkeutua ylös biosfääriin. Lyijyn muodostuminen on nopeimmillaan 100000 vuoden kohdalla, jolloin Rn222:n emonuklidin Ra226:n aktiivisuus on 50 GBq/tU. Jos oletetaan konservatiivisesti, että kaikki muodostuva radon vapautuu kapselista ja hajoaa pintavesissä stabiiliksi Pb206:ksi asti, saadaan veteen vapautuvaksi lyijymääräksi 5,610' 6 mol/a.
27 Taulukko 82. Liukoisuusrajoitteisten aineiden vuotuinen kulkeutuminen loppusijoituskapselista kallioon. Alkuaine Lyhenne Vapautuminen (mol/a) Hafnium Hf 510' 7 Kromi Cr MO' 3 Kupari Cu MO" 2 Lyijy Pb MO" 6 Mangaani Mn 110" 3 Nikkeli Ni MO" 3 Palladium Pd MO" 7 Rauta Fe MO' 3 Rodium Rh MO" 7 Ruteeni Ru 110" 7 Teknetium Te 510" 7 Telluuri Te MO' 5 Tina Sn MO" 5 Titaani Ti MO' 7 Uraani U 310' 6 Vismutti Bi MO' 6 Yttrium Y 310' 8 Zirkonium Zr 510" 7 8.4 Eiliukoisuusrajoitteiset aineet Taulukon 61 eiliukoisuusrajoitteisten aineiden ja luvussa 8.3 liukoisuusrajoitteisten aineiden joukosta karsittujen aineiden vapautuminen loppusijoituskapselista bentoniitin läpi kallioon tarkastellaan REPCOM ja FTRANStietokoneohjelmilla tehtävien kulkeutumislaskujen avulla. Tarkasteltavien aineiden laskuissa käytetyt parametrien arvot on lueteltu taulukossa 83. Taulukossa erikseen nimeämättömät aineet käsitellään neutraaleina ja eisorboituvina. Rubidiumille käytetään samoja arvoja kuin sen kanssa alkuainetaulukossa peräkkäin sijaitsevalle strontiumille. Kallion huokoisuudelle s ja diffuusiotekijälle D e on kummallekin kaksi eri arvoa, joista ensimmäinen viittaa 01 cm:n etäisyydellä kallion halkeamista vallitseviin oloihin ja jälkimmäinen yli 1 cm:n päässä kallion halkeamista vallitseviin oloihin. Laskennan tulokset on koottu taulukkoon 84.
28 Taulukko 83. Kulkeutumislaskuissa käytetyt parametrien arvot. Neutraali eisorboituva Niobium (neutraali sorboituva) Koboltti (neutraali, vapautuu teräsosista 1000 vuodessa) Jodi (anioni) Cesium (sorboituva kationi) Strontium ja rubidium (sorboituvia kationeja) Bentoniitti K ri (m 3 /kg) 0 (%) 0,43 D e (m 2 /s) 110 0,02 0,43 1 10 10 0 0,43 110 10 0 0,05 MO' 11 0,04 0,43 MO" 9 0,001 0,43 MO 9 Bentoniitti/ murske K, (m'/kg) D e (m 2 /s) 0 0,20 210 10 0,01 0,20 210' 10 0 0,20 210" 10 0 0,20 210 10 0,004 0,20 410" 10 0 0,20 410 10 Kallio K,,(m7kg) d (m'/kg) 110 MO" 5 0,02 0,005 e(%) 0,5 ia 0,1 0,5 ia 0,1 0,5 ja 0,1 D e (m7s) MÖ 13 ia 110" ia MO 13 ja MO' 14 MO" 14 MO" 14 0 0,1 ja 0,02 MO 14 ja MO" 15 0,01 0,5 ia 0,1 MO" 13 ia MO" 14 " 0,0001 0,5 ja 0,1 MO" ja MO 14 Taulukko 84. Eiliukoisuusrajoitteisten aineiden suurimmat vuotuiset vapautumisosuudet ja määrät biosfääriin. Alkuaine Lyhenne Suurin vuotuinen vapautumisosuus kokonaismäärästä Suurin vuotuinen vapautumismaara (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 8,310' 2,010" 6 8,310"' 8,310"' 2,M0" 4 l,310" 4 8,310' 8,310' 8,310' 1,310' 8,310' 4,810'' 8,310"' 4,810' 3,5910' 1,0110" 4 2,3110" 4 l,8310" 4 9,3310" 4 2,2710" 4 1,6910' 6,6710' 5,3410' 1,5610"' 1,5210' 4,6110" 4 1,0910' 1,1010'
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 84 esitettyjä arvoja. Tämän takia näiden kolmen aineen vapautumiselle käytetään niiden liukoisuusrajojen avulla laskettuja arvoja, jotka on koottu taulukkoon 85. Taulukko 85. Europiumin, gadolmiumin ja samariumin vapautuminen kallioon. Alkuaine Lyhenne Vapautuminen (mol/a) Europium Gadolinium Samarium Eu Gd Sm 3lCr 5 MO" 5 MO" 4 Taulukoissa 82 ja 85 esitetään liukoisuusrajoitteisten aineiden suurimmat vuotuiset vapautumismäärät kallioon. Näissä tuloksissa ei oteta huomioon aineiden kulkeutumista pitkiä matkoja kallion sisällä biosfääriin, kuten taulukon 84 eiliukoisuusrajoitteisten aineiden yhteydessä tehdään. Tulokset ovat kuitenkin suoraan vertailukelpoisia keskenään, koska tarkastellaan pysyviä nuklideja. Nopeasti hajoavilla radioaktiivisilla aineilla kallion läpi biosfääriin kulkeutumisessa kuluu niin paljon aikaa, että aktiivisuus vähenee oleellisesti, mutta pysyvillä tai pitkäikäisillä radioaktiivisilla liukoisuusrajoitteisilla nuklideilla kaukokulkeutuminen viivästyttää vapautumista biosfääriin, 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 Th232, joka syntyy U 236:n hajoamisen seurauksena. Isotooppia U236 on käytetyssä ydinpolttoaineessa 10 6 vuoden kohdalla 15 GBq/tU eli Th232:n tuottonopeus on 7,85410" 7 mol/(atu). Olkiluodon ydinvoimalaitoksen polttoainetta on 2,14 t/kapseli, eli Th232:n tuottonopeus on 1,6810' 6 mol/(akapseli). Tasapainotilanteessa muodostunut torium vapautuu kapselista ja päätyy biosfääriin muodostumistaan vastaavalla nopeudella. Isotoopin Th230 vapautuminen biosfääriin on tarkasteltu REPCOM ja FTRANSlaskuilla viitteessä [3]. Sen vapautuminen biosfääriin on nopeimmillaan 6,510 5 vuoden kohdalla, jolloin 2,14 tonnia ydinpolttoainetta sisältävästä kapselista vapautuu isotooppia Th230 8,1410" 8 mol/a. Laskemalla yhteen nämä vapautumismäärät saadaan yhdestä kapselista vapautuvan toriumin määräksi 1,7610" 6 mol/a. Vapautumisnopeus on noin yksi kolmannes vapautumisnopeudesta 510" 6, joka saataisiin käyttämällä toriumille sen liukoisuusrajaa samalla tavoin kuin taulukossa 82.
30 Taulukko 86. Toriumin vuotuinen vapautumismäärä kallioon. Alkuaine Lyhenne Vapautuminen (mol/a) Torium Th 1,7610 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. WELL96mallin mukaisesti vuotuinen päästö laimenee kalliossa 100000 m 3 :iin vettä, minkä seurauksena pitoisuudet jäävät useimmiten erittäin pieniksi. Laimentamalla taulukoiden 82, 84, 85 ja 86 mukaiset vuotuiset päästöt 10 8 litraan vettä saadaan suurimmat pitoisuudet kaivovedessä. Tulokset esitetään taulukossa 91, jossa on myös ko. aineille Suomessa sallitut suurimmat pitoisuudet. Lasketut pitoisuudet niille taulukon 91 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 WH0: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/l eli 510' 9 mol/l). Luvussa 8.3.1 tarkasteltua radonin vapautumisen myötä pintavesiin päätynyttä lyijyä ei voida tarkastella WELL96mallin mukaisesti. Yhdestä kapselista päätyy vuodessa pintavesiin lyijyä maksimissaan 5,610" 6 mol. Tämän määrän täytyisi laimentua vähintään vain 120 litraan vettä, jotta jäädään lyijyn talousvedelle laissa määritellyn enimmäispitoisuuden alapuolelle.
32 Taulukko 91. Loppusijoituskapselista vapautuvien aineiden suurimmat pitoisuudet kaivovedessä ja niiden suurimmat sallitut pitoisuudet talousvedessä [5]. Alkuaine Lyhenne Pitoisuus kaivovedessä (mol/l) Suurin Suomessa sallittu pitoisuus talousvedessä (mol/l) Cerium Cesium Europium Gadolinium Hafnium Jodi Koboltti Kromi Kupari Lantaani Lyijy*** Mangaani Molybdeeni Neodyymi Nikkeli Niobium Palladium Praseodyymi Rauta Rodium Rubidium Ruteeni Samarium Strontium Teknetium Telluuri Tina Titaani Torium Uraani Vismutti Yttrium Zirkonium Ce Cs Eu Gd Hf I Co Cr Cu La Pb Mn Mo Nd Ni Nb Pd Pr Fe Rh Rb Ru Sm Sr Te Te Sn Ti Th U Bi Y Zr 3,5910" 1.0M0 12 3,0010' 13 l,0010" 13 5,0010' 5 9,3310"' 2 2,2710" 12 i,ooio" 1,0010' 1,6910" l,0010" 14 1,0010" 6,6710"" 5,3410"" i,ooio" 1,5610"" 1,0010" 1,5210"" 1,0010" l,0010"' 5 4,6M0' 2 1,0010" l,0010 12 1,1010" 5,0010" 1,0010" l,0010 13 1,0010" l,7610'' 4 3,0010 14 1,0010" 14 3,0010' 16 5,0010" 9,610' 7 1,610" 5 * (3,210" 5 ) 4,810" 8 9,M0" 7 * (9,l10" 6 ) 7,310' 7 3,410" 7 3,610" 6 * 8,410' 9 ** * Suurin sallittu pitoisuus perustuu teknisesteettiseen haittaan, ei myrkyllisyyteen. ** Kyseessä on WHO:n pitoisuussuositus [7]. Talousveden uraanipitoisuutta ei ole rajoitettu Sosiaali ja terveysministeriön päätöksessä [5]. *** Pätee, jos lyijy vapautuisi kapselista veteen liuenneena. Radonin vapautumisesta aiheutuva lyijyn vapautuminen käsitelty erikseen. ( ) Suluissa olevat luvut ovat terveydellisiin vaikutuksiin perustuvia WHO:n maksimipitoisuussuosituksia ko. aineille.