Ocjena utjecaja saturacije bentonita na tlak bubrenja, sigurnosti i uporabivosti u odlagalištu istrošenog nuklearnog goriva i visokoradioaktivnog otpada

Autor: Galla Uroić, mag.ing.min.

Zbrinjavanje istrošenog nuklearnog goriva (ING) i visokoradioaktivnog otpada (VRAO) jedan je od najtežih inženjerskih zadataka, čemu u prilog govori činjenica kako niti nakon sedamdeset godina nastajanja ovih materijala još uvijek ne postoji niti jedno aktivno odlagalište u svijetu u kojem bi se ING i VRAO trajno zbrinjavali. Postoji više problema vezanih uz izgradnju dubokog geološkog odlagališta ING i VRAO (Uroić et al., 2022), kao na primjer:

• Odlagalište mora biti izgrađeno na dubini od 500 do 1000 m u slabopropusnoj stijeni domaćinu u reduktivnim uvjetima.
• Odlagalište se projektira na 10 000 godina (VRAO) do 100 000 godina (ING), dok neke države (npr. SAD) zahtijevaju da se izgradi odlagalište koje bi garantiralo sigurnost odloženog materijala u periodu od 1 000 000 godina.
• Kako bi se gornji uvjet zadovoljio nužno je pronaći geološku sredinu koja će biti stabilna barem dvostruko duže od vremena određenog kao trajnost odlagališta kako bi bili sigurni da radionuklidi neće doći do biote i ugroziti ju.

Republika Hrvatska ima obvezu zbrinuti polovinu ING-a iz nukearne elektrane Krško koja se nalazi u Republici Sloveniji, ali prema međudržavnim ugovorima planira se izgraditi jedno odlagalište za ukupnu količinu ING-a na teritoriju jedne od država.

Jedan od specifičnih problema vezanih uz izgradnju odlagališta je određivanje tipa materijala za izradu inženjerskih barijera – zaštitnih materijala koji će osigurati zadržavanje radionuklida u odlagalištu tijekom traženog perioda. Obzirom na geologiju RS i RH vjerojatno je kako će odlagalište biti izgrađeno u magmatskim (kristaliničnim) stijenama te da će kao koncept za odlaganje biti primijenjen KBS-3V (Slika 1). Prema predviđenom tipu stijene domaćina i konceptu odlaganja, može se zaključiti kako će osnovni materijal za izradu inženjerskih barijera biti bentonitna glina.

Slika 1: Švedski koncepti odlaganja istrošenog nuklearnog goriva: KBS-3V (lijevo) i KBS-3H (desno) (Savage, 2012).

Istraživanja koja se provode u svrhu izrade disertacije uključuju određivanja karakteristika bentonitnih glina kakve će se koristiti u izgradnji inženjerskih barijera na budućem odlagalištu. Kako bi se odredilo ponašanje inženjerskih barijera u stijeni domaćinu, nužno je utvrditi proces saturacije (vlaženja) ugrađene bentonitne gline, intenzitet njenog bubrenja i iznose tlakova koji će nastati njenim bubrenjem, a prenosit će se na stijenu i spremnike s ING-om. Većina ispitivanja provest će se u Geomehaničkom laboratoriju na Rudarsko-geološko-naftnom Fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Navedena istraživanja trebaju uključiti: istraživanje brzine saturacije bentonita obzirom na način pripreme te ispitivanja razvoja tlaka bubrenja bentonita i njegov utjecaj na kvalitetu brtvenog sloja/barijere. No prije provođenja tih istraživanja, nužno je odrediti osnovna svojstva i karakteristike bentonitne gline, što uključuje ispitivanja iznesena u Tablici 1.

Tablica 1: Određivanje osnovnih svojstva i karakteristika bentonitne gline.

Određivanje propusnosti koherentnih tala i bentonitnih tepiha pomoću troosne ćelije prikazano je na Slici 2.

Slika 2: Određivanje propusnosti bentonitne gline.

Također, u svrhu određivanja svojstava materijala za izradu inženjerskih barijera provode si i ispitivanja svojstava bentonitne gline u Laboratoriju za geološke materijale na Rudarsko-geološko-naftnom Fakultetu Sveučilišta u Zagrebu, a koja uključuju:

• RTG difrakciju na originalnim uzorcima (Slika 3 a i b)
• HT-RTG – in-situ snimanje reakcije materijala na zagrijavanje
• XRF – za određivanje kemijskog sastava
• IC – topivih soli
• CEC pomoću amonijevog acetata za određivanje oslobođenih iona
• FTIR za određivanje kemizma fine frakcije
• Određivanje površine pomoću metilenskog plavila
• Granulometrijsku analizu pomoću laserske difrakcije

Ostala osnovna ispitivanja materijal uključit će određivanje zeta potencijala, elektronsku mikroskopiju i diferencijalnu termalnu analizu.

(a)                                                                                                                             (b)

Slika 3: Priprema uzorka za RTG difrakciju (a) i uređaj za mjerenje (b).

Sva ispitivanja i njihovi rezultati provjerit će se na numeričkim modelima i simulacijama provedenim u programskom paketu Geostudio i Plaxis, na kojima su već provedena prethodna modeliranja (Slika 4). Rezultati istraživanja usporedit će se s istraživanjima prirodnih analoga: bentonitima u prirodi i njihovim režimima bubrenja.

(a)                                                                                                                      (b)

Slika 4: Numerički modeli raspodjele naprezanja u presjeku odlagališta ING izrađeni u programu Plaxis (a) i Geostudio (b) (Veinović et al., 2022).

Istraživanjima će se definirati brzina saturacije bentonita u zaštitnim slojevima dubokog geološkog odlagališta VRAO ili ING te potencijalna dubina saturacije, odredit će se odnos saturacije bentonita s učinkovitošću bentonitne barijere obzirom na propusnost i definirat će se odnos tlaka bubrenja bentonita na strukturu zaštitnih slojeva izrađenih od bentonitne gline i sustav stijena bentonit-spremnik.

Odnos rezultata istraživanja i istraživanja provedenim na prirodnim analozima poslužit će razvoju sigurnosne studije te olakšati komunikaciju s dionicima.

Reference:

Savage, D., Arthur, R. 2012. Exchangeability of bentonite buffer and backfill materials. STUK. Helsinki.

Uroić, G., Veinović, Ž. & Alexander, W. R. (2022): KBS-3V And Axial Canister Emplacement Of SNF - Comparison Of Disposal Concepts. Proceedings of 13th International Conference of the Croatian Nuclear Society, Zadar, Hrvatska, 2022. str. 115-1

Veinović, Ž., Vučenović, H., Uroić, G. & Rapić, A (2022): Numerical models of the deep geological repository for the spent nuclear fuel // Mathematical methods and terminology in geology 2022. Malvić, Tomislav ; Ivšinović, Josip (ur.). Zagreb: Rudarsko-geološko-naftni fakultet, 2022. str. 21-33

Galla Uroić, mag. ing. min. je doktorandica na Zavodu za rudarstvo i geotehniku na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Doktorski studij Primjenjenih geoznanosti, rudarskog i naftnog inženjerstva upisala je 2020. godine.

E-portfolio link

ResearchGate link

CROSBI link