Projekt GEOBARR

Bezpečné ukládání vyhořelého jaderného paliva je důležitou podmínkou efektivního využití jaderné energie jako jedné z možností zajištění energetické soběstačnosti a nezávislosti při současné snaze o co nejšetrnější přístup k životnímu prostředí. Diskutovanou variantou nakládání s vyhořelým jaderným palivem je jeho hlubinné ukládání. Při tomto řešení je třeba zabránit úniku radioaktivních látek do životního prostředí. Výzkumy ukazují, že vhodné bariéry proti jejich úniku nebo migraci do okolí dokáže vytvořit sama příroda.

Vyhořelé jaderné palivo je tvořeno z 95 procent izotopem ²³⁸U a z 2 procent izotopem ²³⁵U. Zbytek pak tvoří jednak krátce žijící radioaktivní izotopy jako cesium a stroncium vzniklé rozpadem ²³⁵U, které se rozpadají na stabilní v řádu stovek let. Dále pak transurany vzniklé z ²³⁸U, zejména plutonium. Poločas rozpadu jeho izotopu ²³⁹Pu je 24 tisíc let. Z dlouhodobé perspektivy tisíců a desítek tisíců let je tedy hlavním rizikovým prvkem zejména uran.

Úniku nebezpečných izotopů s krátkým poločasem rozpadu brání v úložišti zejména technické bariéry. Migraci uranu bude bránit i geologická bariéra, přírodní horninové prostředí. O chování uranu v přírodním prostředí je k dispozici řada údajů. Chováním uranu v přírodním prostředí se zabývá i projekt GEOBARR (Geochemické bariéry), řešený v Ústavu geologických věd Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity (PřF MU) ve spolupráci se státním podnikem DIAMO a Správou úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO).

Využíváme principu přírodního analogu, kdy ložisko uranu slouží jako přírodní model pro popis chování uranu v uměle vytvořeném úložišti vyhořelého jaderného paliva. V obou případech je uran přítomen ve formě oxidu UO₂.

V rámci projektu jsme sledovali chování uranu ve dvou kontrastních prostředích, a to na ložisku uranu Rožná, kde byl uran již před 270 miliony let imobilizován (1). A ve vyvřelých horninách se zvýšenými koncentracemi uranu, kde byl uran v geologické minulosti naopak mobilní (2).

Za využití moderních analytických metod a vyvinuté metodiky zobrazení s vysokým rozlišením jsme byli schopni pozorovat komplexní geologické procesy, které probíhaly i v měřítku pouze několika mikrometrů, avšak mohly mít za následek vznik i obrovských ekonomicky významných uranových ložisek nebo naopak stabilizaci uranu v horninovém masivu po dobu více než 200 milionů let.

Výsledky projektu GEOBARR ukázaly, že schopnost či naopak nemožnost uranu migrovat do okolního horninového prostředí závisí na konkrétních fyzikálně-chemických podmínkách – zejména na teplotě, chemickém složení a oxidačně chemických podmínkách okolních hornin či charakteru vazby uranu v původních minerálech.

1. Mapa koncentrací uranu (²³⁵U) a olova (²⁰⁷Pb), získaná hmotnostní spektrometrií indukčně vázaného plazmatu (LA ICP MS). Smolinec z ložiska Rožná. Červené tóny odpovídají relativně vyšším koncentracím, modré koncentracím nižším. Viz škála vpravo. Délka spodní hrany snímku odpovídá 3 mm.Snímek MUNI SCI

Obr. 1 ukazuje mapu plošných koncentrací izotopu uranu ²³⁵U a jeho dceřiného izotopu olova ²⁰⁷Pb ve vzorku uranové rudy z ložiska Rožná. Koncentrace obou izotopů navzájem velmi dobře korelují, ve vzorku se neobjevují žádné zóny ochuzené o jeden nebo druhý izotop. Takováto distribuce obou prvků ukazuje, že minerál uraninit (UO₂), který je na snímku zobrazen, nebyl po svém vzniku před 270 miliony lety vystaven procesům, které by vyvolaly jeho mobilitu a migraci do okolního prostředí.

Vlastní zrudnění vzniklo za teplot 152–174 °C redukcí fluid obsahujících uran (3). Za nižších teplot a bez přítomnosti oxidačních fluid je tedy minerál uraninit stabilní a uran z něj do okolí neuniká.

Úplně jiný obraz ukazují analýzy na obr. 2. Jedná se opět o mapu koncentrace uranu a dalších prvků (thoria, zirkonia a yttria). Studovaný minerál je zirkon (ZrSiO₄) se zvýšenými obsahy uranu (do 1 hmotnostního procenta). Zirkon se nachází v hornině – alkalickém syenitu se zvýšenými obsahy uranu – v blízkosti ložiska uranu Jasenice.

2. Mapy koncentrací uranu (U), zirkonia (Zr), thoria (Th) a yttria (Y), získané pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu (metoda EMS). Zirkon je z alkalického syenitu. Relativní koncentrace jednotlivých prvků jsou znázorněny barevně podobně jako na obr. 1. Vrchní černobílý snímek ve zpětně odražených elektronech ukazuje studovaný zirkon (světle) zčásti uzavíraný v titanitu (šedě) a draselném živci (tmavě). Snímek MUNI SCI

Na tomto obrázku je vidět, že uran není v zirkonu distribuován rovnoměrně. Zároveň je velmi dobře patrné, že uran ze zrna uniká po prasklinách o mocnosti několika mikrometrů v okolním minerálu (draselném živci a titanitu). Obdobným způsobem ze zrna migruje thorium, yttrium a v menší míře i zirkonium. Tuto migraci vyvolalo porušení struktury zrna samotného zirkonu v důsledku iradiace částicemi alfa (metamiktizace) vznikajícími přirozeným rozpadem uranu. Při metamiktizaci dojde ke zvětšení objemu minerálu, který tak kolem sebe vytvoří síť drobných trhlin, po kterých mohou prvky migrovat. Samotnou mobilizaci prvků v metamiktizovaném zirkonu a jejich migraci do okolí pak vyvolala alkalická (pH 10–12), fluorem bohatá fluida při teplotě nižší než 200 °C.

Vyluhováním uranu z hornin s jeho zvýšenou koncentrací, migrací pomocí fluid a nakonec vysrážením uranu z těchto fluid v důsledku změny fyzikálně-chemických podmínek vznikají ložiska uranu, ke kterým můžeme dle nových poznatků řadit i ložisko Rožná (3).

Tyto výsledky mohou mít zásadní význam při výběru lokality pro výstavbu úložiště vyhořelého jaderného paliva. Díky metodám vyvinutým v projektu GEOBARR totiž můžeme zjistit, zda daná lokalita byla někdy v minulosti zasažena procesy migrace uranu, či nikoliv. Je možné také určit, zda charakter fluid přítomných v hornině či chemické a minerální složení horniny samé bude migraci uranu blokovat, nebo naopak usnadňovat. To, společně s celou řadou dalších parametrů, může přispět k výběru nejvhodnější lokality pro bezpečné a dlouhodobé uložení vyhořelého jaderného paliva.