SE534094C2 - Metod vid långtidsförvar - Google Patents

Description

534 094 KORT REDOGÖRELSE FÖR UPPF INN INGEN Tvärtemot gängse uppfattning har sökande identifierat ett antal problem med förfarandet enligt KBS-3. När grundvattnet med tiden sakta tränger in i ett deponeringshål innehållande en kopparkapsel kan situationen uppstå där vatten delvis fyller förvaringsutrymmet och kapseln så att en vattenlinje uppstår. Detta kan ge upphov till så kallad gränsskiktskorrosion på kapselns hölje i gränszonen mellan vatten och gasfas (här luft), en mycket aggressiv lokal korrosionsprocess där syre konsumeras lokalt i gränsskiktet. Denna korrosion förvärras ytterligare eftersom kapseln är uppvärmd på grund av aktivitet hos det utbrända kärnbränslet - kapseln bedöms ha en temperatur mellan 50-90 °C uppemot 1000 år.

En annan korrosionsprocess som kan drabba den upphettade metallkapseln är indunstningskorrosion. Inkommande grundvatten från sprickor i berget som når den varma kapselytan och dunstar, vilket kan medföra anrikning av aggressiva salter (klorider, sulfider, bromider, karbonater etc.) från grundvattnet på kapselns metallyta.

Också atmosfárisk korrosion kommer att uppstå som resultat av kapselns förhöjda temperatur, i miljö med salter och hög fukthalt, även om syrgashalten i lufien är obefintlig. Fukt kommer även att finnas i luften och bidra till nämnda atmosfäriska korrosion. Denna process kan ha en mycket hög hastighet, upp till 100-300 mikrometer/år.

Korrosionsskador som orsakats av nämnda processer skulle kunna leda till förstörda kopparkapslar, och därmed i värsta fall läckage av radioaktiva partiklar, inom en mycket snar framtid, långt innan radioaktíviteten har avtagit till hannlös nivå.

Vidare kan lerans egenskaper förstöras om den upphettas och torkas under långa tider.

Bentonitlera med försämrade egenskaper skulle inte utgöra en tillräckligt effektiv barriär mot radioaktivt läckage från en kapsel. Ändamålet med föreliggande uppfmning är därför att åstadkomma en förbättrad metod för långtidsförvaret som leder till minskad korrosion hos kapslarna med känibrärisle.

Detta ändamål uppnås vid den i det första stycket ovan angivna metoden vid långtidsförvar, genom att metoden ytterligare omfattar steget: 10 15 20 25 30 35 534 094 c) tillförsel av vatten till förvaringsutrymmet innehållande kapseln inbäddad i buffertmaterialet, så att förvaringsutrymmet aktivt vattenmättas med en mättnadshastighet överstigande det naturliga mättnadsförloppet.

Genom att aktivt vattenmätta förvaringsutryrnmet med en mättnadshastighet överstigande det naturliga mättnadsförloppet, reduceras kapselns utsatthet för gränsskiktskorrosion, indunstningskorrosion, samt atmosfärisk korrosion, och därigenom kan ett säkrare långtidsförvar erhållas, vilket givetvis är fördelaktigt. Med aktiv vattenmättning menar vi att man tillför vatten förutom den naturliga tillströmningen, exempelvis genom att tillföra vatten från en tankbil.

Företrädesvis innefattar kapseln en insats innehållande nämnda utbrånda kärnbränsle, och ett kopparhölje som omsluter insatsen. Exempel på en sådan kapsel kan vara den som är framtagen i enlighet med SKB:s KBS-3 metod. I en uttöringsform innefattar kapseln åtminstone ytterligare ett hölje/lager som omsluter kopparhöljet och som består av en passivfilmsbildande metall eller legering, där den passiva filmen på höljet utgörs av en huvudsakligen oxidisk film rik på en eller flera av de metaller som tillhör den grupp av metaller som består av metallema zirkonium, krom och titan. Detta ytterligare hölje/lager är främst avsett att skydda kapseln under den tid kapseln temperatur är förhöjd i enlighet med vad som beskrivits i SE 531261 C2.

Företrädesvis är förvaringsutrymmet placerat åtminstone 50 meter under grundvattenytan, företrädesvis åtminstone 100 meter under markytan, mer föredraget åtminstone 300 meter under markytan.

Företrädesvis, att man i steg c) aktivt vattemnättar förvaringsutrymmet till en nivå så att hela kapseln är täckt. Genom att hela kapseln är ”dränkt” minimeras korrosions- problemen hos kapseln orsakade av gränsskiktskorrosion, indunstningskorrosion, samt atmosfärisk korrosion.

Enligt en aspekt anordnas förvaringsutrymmen som huvudsakligen vertikala deponeringshål på botten av en tunnel eller ett bergrum, där respektive deponeringshål i storlek är anpassade för att en kapsel ska kunna anordnas stående däri omgiven av buffertmaterialet. Ett sådant förfarande är beskrivit av SKB med konceptnamnet KBS- 3V. 10 15 20 25 30 35 534 094 Alternativt, kan förvaringsutrymmet utgöras av ett eller flera huvudsakligen horisontella deponeringshål i sidoväggen av en tunnel eller ett bergrum, där respektive deponeringshål i storlek är anpassat för att åtminstone en kapsel ska kunna anordnas liggande däri omgiven av buffertmaterialet. Om horisontella deponeringshål används kan man tänka sig att man placerar flera kapslar i ett deponeringshål, så att det ligger på rad. Ett sådant förfarande är beskrivit av SKB med konceptnamnet KBS-3H. Man kan även tänka sig att blanda horisontella och vertikala förvaringsutrymmen.

Företrädesvis aktivt vattemnättas respektive förvaringsutrymme med en inbäddad kapsel så att en vattemnättnads nivå överstigande kapselns högsta punkt nås efter en tidsperiod understigande 5 år, mer företrädesvis efter en tidsperiod understigande 1 år, ännu mer föredraget på en tidsperiod understigande l vecka. Ett snabbare vattenmättnadsförlopp minskar den tid kapseln riskerar utsättas för gränsskikts- korrosion, indunstníngskorrosion, samt atmosfärisk korrosion, vilket givetvis är fördelaktigt.

Uppfinningen hänför sig också till en anordning för långtidsförvar innehållande åtminstone en kapsel, innehållande utbränt kärnbränsle, anordnad i ett förvarings- utryrnme beläget under grundvattennivån, inbäddad i ett buffertmaterial och aktivt vattenmättad till en nivå så att hela kapseln har täckts enligt metoden hos något av ovanstående patentkrav.

KORT F IGURBESKRIVNING Uppfinningen kommer i det följ ande att beskrivas i mer detalj med hänvisning till de bifogade ritningsfigurerna, i vilka: F ig. 1 visar en perspektivvy av en kapsel för förvaring av ett radioaktivt material, Fig. 2 visar en schematisk vy av ett underjordiskt tunnelsystem för förvaring av radioaktivt material, Fig. 3 visar en perspektivvy av en närbild på en tunnel med förvaringsutrymmen, tagen ur cirkeln I i Fig. 2, och Fig. 4 en tvärsnittsvy av ett förvaringsutrymme som innesluter en kapsel och fyllnadsmaterial i enlighet med uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING I Fig. 1 visas töredragen utföringsfonn av en kapsel 1 avsedd för inneslutning av ett radioaktivt material, såsom ett utbränt kämbränsle, för långtidsförvar. Kapseln 1 10 15 20 25 30 35 534 094 innefattar ett hölje 2 som är väsentligen cylindriskt med en öppning i en övre kortända 2a, och har en insats 3 som företrädesvis har ett antal längsgående kaviteter avsedda för utbrända bränslestavar, samt ett lock 4 som kan fästas på höljets 2 övre kortända 2a för att försluta kapseln.

Höljet 2 och locket 4 är tillverkade av metall. Exempelvis kan höljet 2 bestå av ett fem centimeter tj ock koppar i enlighet med SKBzs KBS-3 metod (www.skb.se), men den kan också förses med ytterligare ett skyddande lager av en passivfilmsbildande metall eller legering, där den passiva filmen på höljet utgörs av en huvudsakligen oxidisk film rik på en eller flera metaller ur en grupp bestående av metallema zirkonium, krom och titan, såsom beskrivits i SE 531261 C2 vilken härmed inkluderas som referens. Insatsen 3 kan exempelvis vara tillverkad av gjutjärn, som föreslås i KBS-3 metoden, eller giutstål. Kapselns 1 längd är företrädesvis i intervallet 3 - 7 m och dess diameter i intervallet 0,5 - 2 m, men det inses att även andra dimensioner kan användas och uppfinning är ej begränsad till dessa.

Fig. 2 visar en schematisk framställning av utseendet hos ett underjordiskt lager 10 avsett för långtidsförvaring av det radioaktiva materialet, innefattande ett flertal tunnlar 11 som är bildade i berggrunden på ett djup som ligger under gnmdvattennivån 20, åtminstone 200 m men föredraget åtminstone 400 m under markytan 22.

Vardera av tunnlama 1 1 innehåller ett flertal förvaringsutrymmen 12 avsedda för en kapsel 1, och genom en förbindelsekanal 14 förbinds dessa tunnlar 11 med varandra och med en markförbindelsekanal 13 som vid markytan 22 mynnar i en anläggning 21 varifrån transport av kapslar 1 innehållande kämbränsle till ett förvaringsutrymme 12 via kanaler och tunnlar 13, 14, 11 kan initieras.

I Fig. 3 visas en förstoring av cirkeln I i Fig. 2, där en perspektivvy av en tunnel ll med ett flertal förvaringsutrymmen 12 kan ses. Dessa förvaringsutrymmen 12 är utformade som vertikala deponeringshål i botten av turmlarna 11 och är vardera så stora att en kapsel 1 och ett omgivande fyllnadsmaterial 5 kan placeras i förvaringsutrymmet 12, såsom exempelvis förslås i av SKB i KBS-SV metoden. Alternativt kan kapslarna förvaras i horisontella deponeringshål såsom exempelvis föreslås av SKB i KBS-3H metoden.

I Fig. 4 kan ses en genomskärning av ett sådant förvaringsutrymme 12 och tunnel 11, med en kapsel 1 placerad i förvaringsutrymmet 12. I det mellanrum som kvarstår mellan 10 20 25 30 35 534 094 kapseln l och förvaringsutryrmnets 12 begränsningsytor placeras ett fyllnadsmaterial i fonn av ett buñertmaterial 5, såsom lera och/eller sand, företrädesvis en bentonitlera eller kvartssand eller en blandning av dessa. Ett fyllnadsmaterial 6 används, efter att kapseln 1 och buffertmaterialet S har placerats i förvaringsutrymmet 12, till att fylla igen resten av tunneln l l så att denna försluts.

Metoden för att lagra ett utbränt kämbränsle enligt föreliggande uppfinning skall nu beskrivas mer i detalj.

I ett första steg placeras en lämplig kvantitet av ett kärnbränsle i insatsen 3 hos ett hölje 2, varefter höljet försluts genom ett lock 4 som fästs på den övre ytan 2a så att en kapsel l bildas. Om så är lämpligt kan även andra ämnen eller material inneslutas i kapseln, såsom ytterligare fyllnadsmaterial eller andra typer av radioaktivt material.

För att föra kapseln 1 till ett därför avsett törvaringsutrymme 12 i en av tunnlarna ll, transporteras kapseln från markytan 22 ner genom markförbindelsekanalen 13, längs förbindelsekanalen 14 och uti den utvalda tunneln 11. Kapseln 1 placeras nu i ett förvaringsutrymme 12 som antingen är helt tomt eller redan innehåller en kvantitet av buffertmaterialet 5. Efter placeringen fylls på med ytterligare en mängd av buffertmaterialet 5 om så är nödvändigt tills kapsehi l är inneslutet till en önskad grad i detta material. Företrädesvis täcks kapseln 1 helt av detta material 5, så att ingen del av ytan hos kapseln l är i direkt kontakt med förvaringsutrymmets 12 begränsningsytor.

Härefter fylls på med en vätska, såsom vatten, till buffertmaterialet 5, så att detta aktivt vattenmättas. Denna aktiva mättning sker snabbare än om grundvatten skulle kunna sippra in i förvaringsutrymmet 12 genom sprickor i berggrunden, och det är fördelaktigt att undvika ett läge där någon del av kapseln 1 är i kontakt med en vätskeyta, såsom en vattenyta, så att en del av kapseln befinner sig ovan vätskan och en annan del är nedsänkt i densamma, under längre tidsperioder. Ett sådant läge kan nämligen resultera i en relativt kraftig nedbrytning av höljet 2 där vätskeytan befinner sig, så att en risk föreligger att så allvarliga skador kan uppstå att en förbindelse mellan det inneslutna kämbränslet och omgivningen så småningom kan uppstå. En sådan process kan också påskyndas av att hölj et 2 är uppvärmt av reaktioner hos det inneslutna kärnbränslet, aktiviteten i det utbrända kärnbränslet kan medföra att höljet 2 har en temperatur i intervallet 50-90°C under hundratals år. Det är därför mycket fördelaktigt att påskynda vattenrnättning av förvaringsutrymmet 12 så att hela kapseln l som ligger inbäddad i buñertmaterialet 5 snabbare täcks än vad som skulle ha skett vid enbart naturlig 10 20 25 30 534 094 vattenmättning. Efier att förvaringsutrymmet 12 med den inbäddade kapseln 1 har vattenmättas kan det valfritt förseglas, exempelvis genom att gjuta ett lock av betong.

Efter vattenrnättningen, och när en önskad mängd av de olika förvaringsutrymmena 12 har fått en kapsel 1, kan sedan ett fyllnadsmaterial 6 användas för att fylla upp tunneln ll så att kapslama 1 ytterligare kan skyddas mot inverkan av omgivningen. Givetvis kan man tänka sig att tunnel 11 lämnas ofylld så att det lättare ska gå att komma åt förvaringsutrymmena. Fyllnadsmaterialet 6 kan utgöras av lera (exempelvis bentonitlera), sand (exempelvis kvartssand), grus, sten, schaktrnassor etc. och om så önskas kan tunneln 11 föreseglas. När en tunnel 11 eller ett flertal tunnlar 11 som är sammankopplade och bildar ett turmelsystem har fyllts med fyllnadsmaterial 6 kan man tänka sig att även den/de vattenmättas för att ytterligare driva ut syre. Alternativt kan man tänka sig att man fyller tunneln 11 med fyllnadsmaterialet innan man aktivt har vattenmättat respektive förvaringsutrymme 12 med inbäddad kapsel 1, för att istället vattenmätta hela systemet (turmel/lar 11 och förvaringsutryrnmen 12) i ett steg.

Uppfinningen begränsas inte av vad som ovan beskrivits, utan kan varieras inom ramarna för de efterföljande patentkraven.

Det inses till exempel att förvaringsutryrnmena också kan anordnas i bergrurn.

Det inses exempelvis att även andra utfornmingar av förvaringsutryrnrnen och tunnelsystem mellan sådan kan givetvis användas för att lagra kapslar med kärnbränsle, och det skall också noteras att utforrrmingen och ingående material hos en kapsel ej är fokus för uppfinningen, utan de kan varieras beroende på vad som är lämpligt vid det aktuella tillfället. Exempelvis visar SE425707 och US4834917, SE 509177, US4562001 ytterligare exempel på kapselkonfigurationer. Buffertmaterialet är givetvis ej begränsat till bentonitlera, utan olika material kan användas för att innesluta en kapsel.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 534 094 PATENTKRAV 1. Metod vid långtidsförvar av åtminstone en kapsel innehållande utbränt kärnbränsle, metoden innefattande stegen: a) placering av kapseln (l) i ett fórvaríngsutrymme (12) beläget under grundvattennivån (20), b) inbäddning av kapseln (1) i fórvaringsutrymmet (12) med ett buffertmaterial (5) såsom lera, exempelvis bentonitlera, och/eller sand, exempelvis kvartssand, varvid metoden även innefattar steget c) tillförsel av vatten till törvaringsutrymmet (12) innehållande kapseln (1) inbäddad i buffertmaterialet (5), så att förvaringsutrymrnet (12) aktivt vattenmättas med en mättnadshastighet överstigande det naturliga mättnadsförloppet till en nivå så att hela kapseln (1) är täckt. Metod enligt krav 1, vari kapseln innefattar - en insats (3) innehållande nänmda utbrända kärnbränsle, och - ett kopparhölje (2) som omsluter insatsen (3). Metod enligt krav 2, van' kapseln (1) innefattar åtminstone ytterligare ett hölj e/lager som omsluter kopparhölj et och som består av en passivfilmsbildande metall eller legering, där den passiva filmen på höljet utgörs av en huvudsakligen oxidisk film rik på en eller flera av de metaller som tillhör den grupp av metaller som består av metallema zirkonium, krom och titan. Metod enligt något av krav 1-3, vari kapseln (1) har en längd i intervallet 3-7 meter och har en diameter i intervallet 0.5- 2m. Metod enligt något av krav 1- 4, vari fórvaringsutrymmet (12) är placerat åtminstone 50 meter under grundvattenytan (20), företrädesvis åtminstone 100 meter under markytan, mer föredraget åtminstone 300 meter under markytan. Metod enligt något av krav 1- 5, vari respektive törvaringsutrymme (12) är ett huvudsakligen vertikalt deponeringshål på botten av en tunnel (1 1) eller ett bergrum, och deponeringshålet i storlek är anpassat för att en kapsel (1) ska kunna anordnas stående däri omgiven av buffertmaterialet (5). 10 20 25 10. 11. 534 094 Metod enligt något av krav 1- 5, vari respektive törvaringsutryrnme (12) är ett huvudsakligen horisontellt deponeringshål i sidoväggen av en tunnel (11) eller ett bergrum, och deponeringshålet i storlek är anpassat för att en kapsel (1) ska kunna anordnas liggande däri omgiven av buffertmaterialet (5). Metod enligt något av krav 1-5, vari förvaret består av ett flertal tunnlar (1 1) som är sammankopplade och bildar ett turmelsystem, var och en innehållande ett flertal törvaringsutrymmen (12) i form av vertikala och/eller horisontella deponeringshål där kapslar (1) placeras och inbäddas i buffertmaterialet (5), och där turmelsystemet fylls med ett fyllnadsmaterial (6) efter att de vertikala och/eller horisontella deponeringshålen fyllts med tillhörande kapslar (l)och buffertmaterialet (5). Metod enligt krav, vari respektive fórvaringsutrymme (12) med kapsel (1) och buffertmaterial (5) aktivt vattenmättas till en nivå överstigande kapselns översta del innan tunnelsystemet fylls med fyllnadsmaterialet (6). Metod enligt något av ovanstående krav, vari ett förvaringsutrymme (12) med en inbäddad kapsel (1) aktivt vattenmättas till en nivå överstigande kapselns högsta punkt på en tidsperiod understigande 5 år, företrädesvis understigande 1 år. Anordning för långtidsfórvar innehållande åtminstone en kapsel (1) innehållande utbränt kärnbränsle, anordnad i ett törvaringsutrymme (12) beläget under grundvattennivån (20), inbäddad i ett buffertmaterial (5), och där förvaringsutrymmet (12) är aktivt vattenmättad till en nivå så att hela kapseln (1) har tâckts enligt metoden hos något av ovanstående patentkrav.