Unieszkodliwianie odpadów promieniotwórczych - perspektywy dla energetyki jądrowej

Unieszkodliwianie Odpadów Promieniotwórczych

- perspektywy dla energetyki jądrowej

Janusz Włodarski

II Szkoła Energetyki Jądrowej

Warszawa, 3 – 5 listopada, 2009

• Stan prawny – konwencje, przepisy, definicje, klasyfikacja odpadów, zalecenia organizacji międzynarodowych

• Źródła odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa jądrowego

• Przetwarzanie (metody) i przechowywanie odpadów promieniotwórczych • Przerób i przechowywanie wypalonego paliwa jądrowego

• Składowanie

- składowiska powierzchniowe SOP – odpady promieniotwórcze krótko i średniożyciowe

- składowiska głębokie GeoSOP – odpady długożyciowe, wypalone paliwo jądrowe

• Badania lokalizacyjne dla SOP i GeoSOP w Polsce • Finansowanie

• Wnioski

Legislacja

•

Wspólna konwencja bezpieczeństwa w postępowaniu z

wypalonym paliwem jądrowym i bezpieczeństwa w postępowaniu z

odpadami promieniotwórczymi

ratyfikowana przez RP w marcu 2000 r., weszła w życie 18 czerwca 2001 r. - zobowiązanie do stosowania fundamentalnych zasad

bezpieczeństwa wynikających z dokumentów MAEA (ogólne wymogi bezpieczeństwa, ocena bezpieczeństwa, wymagania

lokalizacyjne i eksploatacyjne oraz dotyczące zamknięcia obiektów) - zobowiązanie do ustanowienia organu nadzorującego

bezpieczeństwo

- zobowiązanie do wprowadzenia własnego systemu prawnego przez ustanowienie i wdrożenie zestawu aktów prawnych z zakresu

bezpieczeństwa w postępowaniu z odpadami promieniotwórczymi i wypalonym paliwem jądrowym

Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej

- Normy Bezpieczeństwa dla Odpadów Promieniotwórczych

(zasady bezpieczeństwa, wymagania rekomendacje, przykłady).

Dokumenty MAEA są międzynarodowo uzgadniane i dotyczą

wszystkich faz postępowania z odpadami promieniotwórczymi

i wypalonym paliwem jądrowym – nie są obligatoryjne.

Aquis communautaire Unii Europejskiej

-

bezpieczeństwa w zakresie ochrony zdrowia pracowników i ogółu społeczeństwa przed zagrożeniami wynikającymi z promieniowania jonizującego

- Dyrektywa Rady 2006/117/Euratom z dnia 20 listopada 2006 r. w sprawie nadzoru i kontroli nad przemieszczaniem odpadów promieniotwórczych oraz wypalonego paliwa jądrowego

- Dyrektywa Rady 2009/71/Euratom z dnia 25 czerwca 2009 ustanawiająca wspólnotowe ramy bezpieczeństwa jądrowego obiektów jądrowych

W Polsce:

Ustawa Prawo atomowe –

i potencjalnym na promieniowanie jonizujące od źródeł promieniotwórczych, materiałów jądrowych, odpadów promieniotwórczych

- określa obowiązki jednostek organizacyjnych prowadzących

działalność związaną z narażeniem na promieniowanie jonizujące

- określa organy właściwe w sprawach bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej

- określa działalności wymagające zezwolenia lub zgłoszenia

- określa zasady odpowiedzialności cywilnej za szkody jądrowe - ustanawia kary za wykroczenia przeciwko bjior

Rozdział 7 ustawy określa zasady obowiązujące w całym procesie postępowania z odpadami i wypalonym paliwem oraz zawiera normy dotyczące kwalifikowania odpadów i wymagania odnośnie ewidencji. Ustala rodzaje składowisk. Przewiduje opłaty na rzecz gminy, na terenie której znajduje się Krajowe składowisko Odpadów Promieniotwórczych.

ROZPORZĄDZENIE RADY MINISTRÓW z dnia 3 grudnia 2002 r.

w sprawie odpadów promieniotwórczych i wypalonego

paliwa jądrowego określa:

- sposób kwalifikowania odpadów promieniotwórczych do kategorii i podkategorii; - sposób prowadzenia ewidencji i kontroli odpadów promieniotwórczych oraz wzór

karty ewidencyjnej;

- warunki przechowywania odpadów promieniotwórczych lub wypalonego paliwa

jądrowego i wymogi, jakim muszą odpowiadać obiekty, pomieszczenia i opakowania przeznaczone do przechowywania poszczególnych kategorii odpadów

promieniotwórczych, oraz wymogi, jakim muszą odpowiadać przechowalniki wypalonego paliwa jądrowego;

- kategorie i podkategorie odpadów promieniotwórczych, które mogą być składowane w poszczególnych rodzajach składowisk;

- wymagania, jakim powinny odpowiadać poszczególne rodzaje składowisk, dotyczące lokalizacji, eksploatacji, budowy i zamknięcia;

- warunki, jakie powinno spełniać składowisko, aby mogło być uznane za Krajowe Składowisko Odpadów Promieniotwórczych;

• odpady promieniotwórcze

- odpady stałe, ciekłe lub gazowe,

zawierające substancje promieniotwórcze lub skażone tymi

substancjami (powyżej ustalonej wielkości), których

wykorzystanie jest niecelowe lub niemożliwe

• postępowanie z odpadami promieniotwórczymi

- wszelkie

działania, włącznie z likwidacją obiektu, związane

z przetwarzaniem, przemieszczaniem, przechowywaniem

lub składowaniem odpadów promieniotwórczych,

• przetwarzanie odpadów promieniotwórczych

– oznacza

proces lub działanie zmierzające do minimalizacji objętości

odpadów, segregację odpadów według kategorii oraz

przygotowanie ich do transportu lub składowania

• wypalone paliwo jądrowe

- paliwo jądrowe, które zostało

napromieniowane w rdzeniu reaktora oraz na stałe usunięte

z rdzenia

• postępowanie z wypalonym paliwem jądrowym

– wszelkie

działania włącznie z likwidacją obiektu, związane z przerobem,

przemieszczaniem, przechowywaniem lub składowaniem

wypalonego paliwa jądrowego

• przerób wypalonego paliwa jądrowego

- proces lub działanie

zmierzające do wydobycia części lub wszystkich izotopów

promieniotwórczych z wypalonego paliwa jądrowego w celu ich

dalszego wykorzystania

• przechowywanie odpadów promieniotwórczych lub

wypalonego paliwa jądrowego

- magazynowanie odpadów

promieniotwórczych lub wypalonego paliwa jądrowego z

zamiarem ponownego ich wydobycia w celu przetworzenia

lub przerobu albo składowania

• przechowalnik wypalonego paliwa jądrowego

- obiekt

jądrowy przeznaczony do bezpiecznego, stabilnego i

chronionego przechowywania wypalonego paliwa jądrowego

po jego wyładowaniu z reaktora lub basenu przy reaktorze,

a przed przekazaniem do przerobu lub składowania w

charakterze odpadu promieniotwórczego

• składowanie odpadów promieniotwórczych lub

wypalonego paliwa jądrowego

- złożenie odpadów

promieniotwórczych lub wypalonego paliwa jądrowego w

obiekcie do tego przeznaczonym bez zamiaru ponownego

ich wydobycia

Podstawą klasyfikacji odpadów promieniotwórczych jest ich aktywność i czas promieniotwórczego rozpadu.

W Polsce wyróżniamy kategorie odpadów:

 odpady niskoaktywne

 odpady średnioaktywne

 odpady wysokoaktywne

 zużyte zamknięte źródła promieniotwórcze niskoaktywne średnioaktywne wysokoaktywne przejściowe krótkożyciowe długożyciowe krótkożyciowe długożyciowe

Aktywność

Półokres rozpadu VSLW

bardzo krótko życiowe (przechowywane aż do rozpadu poniżej

ustalonego poziomu) EW Odpady wyłączone/zwolnione LLW niskoaktywne (składowiska powierzchniowe) ILW średnioaktywne

(składowiska na średniej głębokości)

HLW

wysokoaktywne (składowiska geologiczne)

Ilustracja klasyfikacji odpadów promieniotwórczych wg MAEA

VLLW

bardzo niskoaktywne

(składowane w konwencjonalnych wysypiskach)

•Można wyróżnić pięć głównych źródeł pochodzenia odpadów promieniotwórczych:

kopalnie rud uranu oraz zakłady przerobu tych rud,

produkcja paliwa reaktorowego oraz przerób paliwa wypalonego, eksploatacja reaktorów energetycznych i badawczych,

likwidacja reaktorów jądrowych,

stosowanie izotopów promieniotwórczych w medycynie, przemyśle, rolnictwie i badaniach naukowych.

Źródło: materiały informacyjne PAA

Właściwe postępowanie (gospodarowanie ) z odpadami promieniotwórczymi

może skutecznie zabezpieczyć człowieka i środowisko przed szkodliwym wpływem emitowanego przez nie promieniowania jonizującego.

Dlatego też podczas unieszkodliwiania i składowania odpadów obowiązują

określone zasady:

minimalizowanie ilości powstających odpadów,

odpowiednie segregowanie (oddzielnie ciekłe, oddzielnie nadające się do rozdrobnienia, prasowania, spalania itd.),

zmniejszanie objętości (prasowanie, odparowanie itp..),

zestalanie i pakowanie w taki sposób, aby były chemicznie i fizycznie stabilne,

składowanie odpadów w miejscach o właściwej strukturze geologicznej i stosowanie wszystkich możliwych technologii oraz barier, które skutecznie izolują odpady od człowieka i środowiska.

Podstawowe etapy postępowania z odpadami

promieniotwórczymi

Metody przetwarzania odpadów promieniotwórczych:

Odpady ciekłe:

oczyszczanie metodami z zastosowaniem sorbentów nieorganicznych, zatężenie na wyparce,

membrany filtry jonitowe,

zestalanie (cement, asfalt, tworzywa sztuczne), zeszkliwianie

Odpady stałe:

utrwalanie (cement, tworzywa sztuczne).

Odpady biologiczne:

Bębny ze stałymi odpadami promieniotwórczymi

po sprasowaniu (COVRA, Holandia)

.

Cykl paliwowy

Kopalnia

Przewiduje się następujące ilości odpadów promieniotwórczych na 1 TWh wytworzonej energii elektrycznej (na podstawie analiz

literaturowych):

 30 m³ średnioaktywnych, zestalonych odpadów promieniotwórczych;  50 m³ niskoaktywnych, zestalonych odpadów promieniotwórczych.

Przewiduje się następujące ilości odpadów promieniotwórczych

powstających w wyniku likwidacji elektrowni jądrowych o mocy 1 GW(e) (na podstawie analiz literaturowych):

 9 000 m³ niskoaktywnych odpadów promieniotwórczych  1 000 m³ średnioaktywnych odpadów promieniotwórczych

• wytworzenie 1 TWh energii elektrycznej w elektrowniach z reaktorami wodnymi powoduje wytworzenie ok. 4 ton wypalonego paliwa, w którym znajduje się ok. 2,52 ton HM. Paliwo to zajmuje objętość ok. 1,5 m3_.

• w świecie stosuje się obecnie dwie technologie postępowania z wypalonym paliwem:

1. przerób wypalonego paliwa, wykorzystanie pierwiastków

rozszczepialnych do wytwarzania nowego paliwa oraz składowanie odpowiednio zabezpieczonych wysokoaktywnych odpadów

promieniotwórczych w głębokich formacjach geologicznych, 2. okresowe przechowywanie wypalonego paliwa w suchych lub

wodnych przechowalnikach, odpowiednie zabezpieczenie wypalonego paliwa przez zamknięcie go w specjalnych, odpornych na korozję

i inne oddziaływania pojemnikach oraz składowanie tak

Przerób wypalonego paliwa polega na chemicznym wydzieleniu uranu i plutonu, który może być wykorzystany następnie do wytworzenia

nowych elementów paliwowych oraz odpowiednim zabezpieczeniu pozostałych aktynowców i produktów rozszczepienia (w większości przypadków przez zeszkliwienie).

W ten sposób z wypalonego paliwa są oddzielane pierwiastki będące materiałem jądrowym a pozostałe składniki są traktowane jako wysoko aktywne odpady promieniotwórcze ale nie będące materiałem

jądrowym.

Instalacje przerobu wypalonego paliwa z reaktorów wodnych

(ciśnieniowych i wrzących) posiada:

· • Francja (La Hague),

· • Wielka Brytania (Sellafield),

· • Japonia (Tokai i w przyszłości Rokkashomura) · • Rosja (RT-1 i RT-2).

Przechowalnik wypalonego paliwa.

Akcelerator

Wiązka protonów ~1GeV, 10 mA

Energia Zestaw podkrytyczny Przygotowanie paliwa Separacje radiochemiczne Odpady z separacji 

Schemat ideowy Akceleratorowego Systemu do Transmutacji (AST)

Global Nuclear Energy Partnership – GNEP



Strategia dostarczania świeżego paliwa i postępowania z

wypalonym paliwem jądrowym mająca na celu bezpieczeństwo

obrotu materiałami jądrowymi oraz ograniczenie zagrożeń dla

środowiska związanych m.in. ze składowaniem odpadów i

wypalonego paliwa jądrowego.



Celem GNEP jest upowszechnianie energetyki jądrowej jako

ważnego elementu zrównoważonego rozwoju gospodarki

światowej, pozwalającego na ograniczenie emisji gazów

cieplarnianych i zaspokojenie rosnącego zapotrzebowania na

energię, zwłaszcza krajów rozwijających się.



Polska przystąpiła do GNEP w 2006 r.



W praktyce przynależność do GNEP oznaczałaby dla Polski

ograniczenie problemu składowania odpadów tylko do

składowania odpadów nisko i średnioaktywnych. Przerobem

wypalonego paliwa jądrowego zajął by się jego dostawca.

System składowiska

•

właściwości terenu (złoża)

•

typ i konstrukcja składowiska

•

forma odpadów promieniotwórczych

Podstawowe założenia:

System ten zakłada, że niedoskonałości jednego z elementów mogą być kompensowane jakością innego, tak aby system jako całość zachował

oczekiwany stopień izolacji odpadów, tj. szczelność składowiska.

Bariery ochronne: 1. chemiczna, 2. fizyczna, 3. I inżynierska, 4. II inżynierska, 5. naturalna. Źródło: ZUOP, PL

Podstawowe funkcje sztucznych barier ochronnych to eliminowanie lub ograniczanie:

infiltracji wód gruntowych i opadowych do miejsc składowania odpadów promieniotwórczych,

rozproszenia się i migracji substancji promieniotwórczych ze składowiska do otoczenia,

ługowalności substancji promieniotwórczych z odpadów, niszczącego działania roślin i zwierząt.

Sztuczne bariery ochronne to zabezpieczenia wykonane przez człowieka i tworzone w każdym etapie unieszkodliwiania odpadów. Są to materiały

o różnych właściwościach i konstrukcje spełniające w/w funkcje.

Barierą naturalną w systemie składowiska są warunki hydrogeologiczne terenu i złoża, gdzie jest ono zlokalizowane.

Jakość tej bariery określają następujące czynniki:

izolacja od wód opadowych, powierzchniowych i podziemnych (obecność zbiorników wodnych, kierunki i szybkość przepływu wód gruntowych, fluktuacja zwierciadła wód),

własności złoża decydujące o szybkości migracji

radionuklidów (przepuszczalność, własności sorpcyjne). Źródło: ZUOP, PL

W procesie lokalizacji składowiska odpadów promieniotwórczych

wyróżnia się 4 etapy:

-

koncepcji i planowania, badań materiałów archiwalnych,

-

badań regionalnych,

-

szczegółowych badań obszarów kandydujących,

-

szczegółowych badań dokumentujących poprawność

Wymagania stawiane lokalizacjom powierzchniowego SOP to: - proste warunki środowiska umożliwiające wiarygodne

udokumentowanie bezpieczeństwa radiologicznego i monitorowanie oddziaływania na otoczenie,

- stabilność procesów ewolucji obszaru, będąca podstawą

prognozowalności i warunkiem dopuszczenia w analizach jedynie stopniowego uwalniania się radionuklidów w wyniku powolnego procesu degradacji barier inżynierskich,

- warunki hydrologiczne i hydrogeologiczne minimalizujące zagrożenia wodne dla systemu składowiska.

Eliminacji powinny podlegać tereny (kryteria społeczno –

gospodarcze) :

- na których występują duże i średnie ośrodki i obiekty infrastruktury

usługowej,

- o dużej gęstości zaludnienia, gęstej zabudowie mieszkaniowej, z historycznie wykształconą siecią osadniczą,

Składowisko powierzchniowe odpadów promieniotwórczych nie

może być lokalizowane na obszarach:

• poniżej zwierciadła wód gruntowych i na terenach, na których może występować stałe lub okresowe podtapianie obiektów składowiska; • w rejonach charakteryzujących się krótkimi drogami krążenia wód

powodującymi szybką migrację zanieczyszczeń do biosfery lub zbiorników podziemnych wód użytkowych;

• poniżej zwierciadła wód rzek lub jezior znajdujących się w jego pobliżu; • w rejonie zagrożonym podtapianiem, zatapianiem wodami

Idea składowania odpadów w składowisku El Cabril, Hiszpania

Składowisko odpadów promieniotwórczych Centre de la Manche.

GeoSOP:

Masyw skalny, w którym ma być zlokalizowane składowisko odpadów promieniotwórczych musi charakteryzować się:

- takimi rozmiarami aby na odpowiednio dużej głębokości pomieścił składowisko wraz z caliznami ochronnymi,

- jednorodnością i prostotą budowy geologicznej,

- szczelnością, tak aby nie doszło do zawodnienia wyrobisk GeoSOP,

- dużą wytrzymałością na działanie sił zewnętrznych i naprężeń wewnętrznych wywołanych drążeniem wyrobisk i zmianami termicznymi na kontakcie z pojemnikami z odpadami

promieniotwórczymi,

- stabilnością w ciągu swojej historii geologicznej, co zaświadcza o jego stabilności w przyszłości

Idea składowania odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa jądrowego w Finlandii

Idea składowania odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa jądrowego w Szwecji

BADANIA LOKALIZACYJNE

DLA SOP I GeoSOP W POLSCE

0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 35 000 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 Rok Ilo ść w yp al on eg o pa liw a, t H M Przechow alnik Składow isko 0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 35 000 2000 2020 2040 2060 2080 2100 2120 2140 Rok Ilo ść w yp al on eg o pa liw a t H M Przechow alnik 1 Przechow alnik 2 Przechow alnik 3 Składow isko

Bilans wypalonego paliwa w okresowym przechowalniku i w składowisku wypalonego paliwa.

Bilans wypalonego paliwa w trzech okresowych

przechowalnikach

i w składowisku wypalonego paliwa

Dokonano przeglądu budowy geologicznej kraju z punktu widzenia możliwości wyboru potencjalnych lokalizacji przyszłego składowiska. Do wstępnej analizy zakwalifikowano 44 struktury skalne obejmujące:

- skały magmowe i metamorficzne – 17 - utwory ilaste – 7

- złoża soli – 20

W wyniku dokonanej selekcji za regiony perspektywiczne uznano

skały krystaliczne w podłożu platformy wschodnio-europejskiej w NE Polsce, kompleksy skał ilastych na monoklinie przedsudeckiej i na

wyniesieniu Łeby oraz wybrane wysady solne z cechsztyńskiej formacji solonośnej Niżu Polskiego.

1 2 3

Lokalizacja miejsc wytypowanych jako perspektywiczne dla budowy geologicznego składowiska odpadów promieniotwórczych na tle głównych jednostek geologicznych w Polsce. Lokalizacje w skałach magmowych w podłożu krystalicznym NE Polski traktowane

są jako rezerwowe.

1 – wysady soli kamiennej; 2 – kompleks skał ilastych; 3 – skały magmowe (granity i inne).

W wyniku realizowanych w Polsce w latach 1997 – 2000 prac lokalizacyjnych przeprowadzono wizje terenowe w 15 wybranych gminach, położonych w centralnej i północno–zachodniej części kraju.

Do badań terenowych wytypowano 19 obszarów.

Wiercenia badawcze wykonano w 15 działkach (dla czterech działek, ze względu na protesty społeczne, nie uzyskano zatwierdzenia projektu prac geologicznych).

Pomiary geoelektryczne wykonano w 19 lokalizacjach (badania geofizyczne nie wymagają zatwierdzenia w Urzędzie Wojewódzkim). Umożliwiły one rozszerzenie rozpoznania danego terenu zarówno w poziomie jak i z głębokością w stosunku do danych uzyskanych z wierceń.

FINANSOWANIE

W krajach Unii Europejskiej, w których istnieje energetyka jądrowa koszty postępowania z odpadami promieniotwórczymi uwzględniane są w kosztach energii elektrycznej.

Drobni wytwórcy odpadów (medycyna, nauka) są w stanie ponieść koszty postępowania z wytwarzanymi przez nich odpadami - stanowiącymi małą część całości odpadów - gdyż jednostkowe koszty są odpowiednio niższe. W Portugalii, Danii, Irlandii czy Grecji (krajach bez energetyki jądrowej) postępowanie z odpadami jest dotowane przez państwo.

W krajach Europy Zachodniej eksploatujących elektrownie jądrowe

wytworzył się już niemalże standard, że producenci odpadów

promieniotwórczych ponoszą nie tylko bieżące koszty ich unieszkodliwiania i składowania, ale również i te przewidywane w związku z likwidacją obiektów jądrowych oraz nadzorem w okresie po zamknięciu składowiska. Tworzone są specjalne fundusze, które będą w takich sytuacjach uruchamiane. Stanowią one swego rodzaju polisę ubezpieczeniową dla przyszłych pokoleń. Ze względu na wielkość tych funduszy oraz długi okres ich gromadzenia wymagają one nadzoru państwowego.

WNIOSKI

• W przypadku odpadów promieniotwórczych nisko i średnioaktywnych zarówno metody przetwarzania jak i składowanie tych odpadów nie nastręczają problemów technicznych. • Dobrze przygotowane technologie oraz sprawdzone w eksploatacji instalacje do przerobu

wypalonego paliwa jądrowego – stosowane przez takie kraje jak Francja czy Wielka Brytania – gwarantują bezpieczeństwo prowadzonych procesów oraz najwyższą jakość produktu

końcowego (zeszkliwione odpady).

• W większości krajów eksploatujących EJ prowadzone są intensywne prace badawcze: laboratoryjne i terenowe związane z GeoSOP. W Finlandii GeoSOP jest w trakcie budowy.

W Polsce:

• Z punktu widzenia tzw. infrastruktury dozorowej jesteśmy na dobrej drodze do właściwego przygotowania się do postępowania z odpadami promieniotwórczymi.

Szkolenie kadr i zwiększenie jej liczebności będą jednak niezbędne.

• Lokalizacja i budowa nowych instalacji do przechowywania i składowania odpadów promieniotwórczych będzie niezbędna. W Polsce występuje szereg struktur skalnych perspektywicznych dla lokalizacji zarówno SOP jak i GeoSOP.

• Pozyskanie akceptacji społecznej dla składowania odpadów będzie najistotniejszym problemem.