Bariéry na věčnost

Česko svůj radioaktivní odpad bezpečně ukládá už více než šedesát let. Úložiště Richard, Bratrství a Dukovany, provozovaná Správou úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO), umějí spolehlivě zneškodnit nízko‑ a středněaktivní odpady z provozu jaderných elektráren, průmyslu, výzkumu nebo zdravotnictví. První úložiště Richard slouží svému účelu od roku 1964, nejmladší Dukovany od roku 1995. Zařízení pro uložení vysokoaktivního odpadu – hlubinné úložiště – na svůj vznik a zprovoznění v roce 2050 dosud čeká. Už dnes na jeho přípravě intenzivně pracují stovky lidí.

Materiály, které do hlubinného úložiště zamíří, tvoří především použité jaderné palivo ze stávajících a nově plánovaných jaderných elektráren a malých modulárních reaktorů. Jeho specifikem vedle vysoké radioaktivity je zbytkový tepelný výkon, což znamená, že hřeje i dlouhou dobu po opuštění reaktoru.

Mezi další odpady, které zamíří do hlubinného úložiště, patří materiály z demontáže jaderných reaktorů nebo odpady, které nesplňují podmínky pro uložení do provozovaných úložišť. Podobně jako ve Švýcarsku bude české úložiště kombinované, což znamená, že oba druhy odpadů (použité palivo a tzv. ostatní radioaktivní odpady) v něm budou v takové vzdálenosti od sebe, aby vzájemně neovlivňovaly své bezpečnostní funkce.

Samotné hlubinné úložiště (obr. 1) není malým podzemním dílem, ale zároveň ani zdaleka nedosahuje rozměrů dolů, se kterými máme v Česku zkušenosti po staletí – například doly na Ostravsku nebo v okolí Dolní Rožínky na Vysočině jsou daleko větší. Zároveň bude dílo vznikat postupně, protože není jednoduché ani levné udržovat podzemní dílo v rozsahu hlubinného úložiště v provozu jako celek. Hlubinné úložiště tedy bude v podzemí současně ve třech stadiích: budování, ukládání a uzavírání. Každé pochopitelně v jiné jeho části.

Bezpečné podzemí

Hlubinné úložiště musí zajistit bezpečnou izolaci uloženého materiálu od životního prostředí po dobu až stovek tisíc let. Podobně přísné požadavky na bezpečnost klademe také na jadernou elektrárnu. V okamžiku, kdy do horninového prostředí vstoupí člověk, vybuduje podzemní dílo a vloží do něj materiály s různými vlastnostmi, trvá dlouhou dobu, než se podmínky prostředí vrátí zpět. I na tyto změny musíme hlubinné úložiště připravit (obr. 3).

Bariéry hlubinného úložiště

Bezpečnost jakéhokoli úložiště (obr. 2) stojí na kombinaci uměle vytvořených (inženýrských) a přirozených bariér, které musejí odolat jak změnám prostředí uvnitř úložiště, tak případným vnějším vlivům, jakými jsou zemětřesení, hloubkové promrzání půdy nebo klimatické změny. Zároveň musejí být bariéry chemicky kompatibilní tak, aby vzájemným působením neztratily bezpečnostní funkce. Inženýrskými bariérami pro použité jaderné palivo jsou ukládací kontejnery, v jejichž útrobách palivo zavezeme do ukládacích vrtů v zavážecích chodbách. Volné prostory mezi kontejnery a stěnami úložiště vyplní druhá inženýrská bariéra – těsnící vrstva jílu. Poslední překážkou je bariéra nejrobustnější, ta, kterou nám připravila příroda – několik set metrů neporušené horniny.

Podzemní laboratoře jsou prostory umístěné ve velké hloubce pod povrchem země, ve kterých si prakticky ověřujeme technologie, které použijeme v hlubinném úložišti. Jedno takové provozuje Správa úložišť radioaktivních odpadů v bývalém uranovém dole Rožná v hloubce půl kilometru pod zemí – Podzemní výzkumné pracoviště Bukov. Tvoří ho rozsáhlý systém výzkumných chodeb a experimentálních rozrážek. V současné době tu aktivně provozujeme sedm výzkumných experimentů – studujeme korozi ukládacího kontejneru, materiálové interakce, vyvíjíme systémy budoucího monitoringu hlubinného úložiště. Předtím než hlubinné úložiště začneme stavět, musíme v podzemí vše bezpečně vyzkoušet.

Schéma Správa úložišť radioaktivních odpadů

Kontejner pro použité palivo

Ve světě existují různé druhy kontejnerů – obalových souborů. Jejich složení a konstrukce závisí jak na charakteru ukládaného materiálu, tak na očekávaných podmínkách v hlubinném úložišti. Základní bezpečnostní funkcí kontejnerů je izolace použitého paliva po dobu stovek tisíc až milionu let. Severské státy jako Švédsko a Finsko čelí výrazně agresivnějším geochemickým prostředím s vysokou slaností vody nebo zvýšenou koncentrací chloridů. Spoléhají proto na měděný kontejner.

1. Hlubinné úložiště má svou povrchovou a podzemní část. Na povrchu budou pouze technologické objekty. Několik desítek metrů pod zemí pak vznikne tzv. horká komora. Umožní překládku použitého paliva z transportních kontejnerů do ukládacích. Tento prostorově ohraničený areál propojí s podzemní částí v hloubce několika set metrů šikmo se svažující (úpadní) tunely. Největší část podzemního komplexu pak budou tvořit samotné ukládací prostory – soustava ukládacích tunelů a vrtů. Hlubinné úložiště vznikne postupně tak, aby prostory provozované současně byly co nejkompaktnější. Volné prostory po uložení odpadu vyplní jílový materiál.

Schéma Správa úložišť radioaktivních odpadů

Podmínky v českém podloží jsou jiné, proto si Správa úložišť radioaktivních odpadů připravuje za pomoci předních českých odborníků vlastní kontejner. Díky podstatně příznivějším geologickým podmínkám využíváme kombinaci uhlíkové a nerezové oceli. Kontejner tvoří vnější obal z uhlíkové oceli, vnitřní pouzdra pro každý palivový soubor jsou z nerezové oceli s vysokým obsahem chromu a niklu. Bezpečnostní funkce uhlíkové oceli trvá po dobu prvních deseti tisíc let, tedy v době nestálých podmínek a poklesu teploty pod 40 °C. Poté nastupuje bezpečnostní funkce nerezové oceli, která zaručí izolaci materiálu po zbývající potřebnou dobu do poklesu radiotoxicity uloženého materiálu na normální úroveň. Pro prokázání bezpečnosti kontejneru potřebujeme studovat zásadní proces, kterým je rychlost koroze, a to v dlouhodobém měřítku jak pro uhlíkovou, tak pro nerezovou ocel. Pro procesy, které trvají desítky až stovky let využíváme data z laboratoří a z podzemního výzkumného pracoviště Bukov, kde můžeme studovat korozi a její produkty přímo na vzorcích. Pro děje trvající tisíce až desítky tisíc let pak používáme například archeologické analogy. V minulosti jsme studovali rychlost koroze obyčejných hřebíků, pohřbených dlouhou dobu bez přístupu kyslíku na dně jezer nebo rybníků. Pro děje trvající statisíce let používáme tzv. přírodní analogy. Kolegové se podíleli na studiu vzorku matriálů ze železnorudného ložiska KIRUNA, ve kterém jsou miliony let v kontaktu jílové vrstvy s železnou rudou. Všechna tato data pomáhají vylepšit naši schopnost vybrat nejodolnější materiály této bariéry.

Materiály výplní „zátky“

V hlubinném úložišti bude nutné každou mezeru a volný prostor vyplnit a utěsnit. Každý ukládací obalový soubor tak obklopí těsnicí a tlumicí bariéra (buffer). Její hlavní funkcí je ochrana souboru a zpomalení průniku radionuklidů v případě porušení schránky kontejneru. Ostatní prostory hlubinného úložiště utěsní výplňový materiál (backfill). Pro použití v tlumicí bariéře a výplňovém materiálu zkoumáme bentonit – jílový materiál ze zvětralých vulkanických produktů. Jde o přírodní materiál s výbornými těsnicími schopnostmi, jako třeba velmi nízkou propustností a objemovou roztažností. Stejně důležitou vlastností je jeho schopnost zachycovat, případně zpomalovat radionuklidy, a zabránit tak jejich možnému úniku do biosféry. Správné fungování těchto bariér zajistíme zhutněním bentonitu, což sníží jeho propustnost, zvýší jeho schopnost bobtnat a lépe odolat vnějším vlivům.

2. Multibariérový systém. Palivový soubor po vyjmutí z reaktoru a uložení do ukládacího kontejneru zamíří do ukládacích vrtů v hlubinném úložišti. Po vyplnění volných prostor zaručí bezpečnou izolaci materiálu od člověka a životního prostředí vrstva půl kilometru neporušené horniny.

Schéma Hausmannová L. et al. [2]

Většina zemí plánuje použít bentonit pocházející z USA, naše Správa úložišť radioaktivních odpadů ale dlouhodobě zkoumá český bentonit ze severočeských ložisek. Pokud se ukáže, že bude pro potřeby hlubinného úložiště vyhovovat, mohli bychom být v tomto směru zcela soběstační. Dokázat, že je český bentonit vhodný, ale není jednoduché a vyžaduje to uskutečnění mnoha rozličných experimentů. Jeden z nich už jsme zahájili ve švýcarské podzemní laboratoři Grimsel v Alpách, druhý spustilo domácí Podzemní výzkumné pracoviště Bukov (viz rámeček v Podzemní laboratoře).

Horninové prostředí

Nejdůležitější bariérou hlubinného úložiště je horninové prostředí. Jeho hlavní funkcí je vytvořit stabilní podmínky pro uložený odpad a inženýrské bariéry izolovat od procesů v biosféře a změn prostředí na povrchu.

Ve světě projektanti umisťují hlubinná úložiště v zásadě do tří druhů hornin. Prvním z nich jsou rozsáhlé pánevní systémy s velkými mocnostmi nepropustných usazenin – s jílovci. Jejich výhodou je naprostá nepropustnost a homogenita. Lokalitami s popsanými vlastnostmi disponují Francie, Švýcarsko a Maďarsko.

Druhým typem jsou horniny pevné (krystalinické), a to jak plutonické (granity), tak vysoce přeměněné komplexy (např. migmatity). Jejich výhodou je vysoká pevnost, nepropustnost, stabilita podzemního díla a výborná tepelná vodivost. Tyto horniny jako finální uvažují Švédsko, Kanada nebo Česká republika. Brzy začne fungovat první finské hlubinné úložiště Onkalo, které leží v tomto typu hornin.

Třetím zvažovaným typem je ukládání do solných formací. V těchto dómech funguje například americké úložiště WIPP, určené pro odpady z výroby jaderných zbraní. O ukládání do solných dómů uvažuje také Německo.

3. Na materiály v okolí vyhořelého jaderného paliva budou v nitru úložiště působit předem známé fyzikální a chemické jevy. Během výstavby a provozu se prostředí celkově okysličí, mírně se změní chemické složení podzemní vody nebo do oblasti přineseme nové bakterie. Po uzavření díla začne obsah kyslíku klesat, vznikne redukční prostředí, které postupně nasytí voda. Zároveň zbytkový tepelný výkon vyhořelého jaderného paliva způsobí postupný růst teploty okolní horniny. Po 500 až 1000 letech dosáhne dílo maximální hodnoty 95 °C. Během následujících deseti tisíc let bude prostředí pozvolna chladnout, až se jeho vlastnosti vrátí do svého původního stavu.

Graf Vokál A. et al. [1]

Horniny čtyř potenciálních lokalit českého hlubinného úložiště jsou geologicky velmi nudné, přesně jak chceme. Jde o monotónní tělesa magmatických a přeměněných hornin. Splňují vysoké nároky na tepelnou vodivost, pevnost, velikost vhodného horninového neporušeného homogenního bloku pro vybudování úložiště nebo nepřítomnost významných vodních zdrojů a velkou vzdálenost od významných geologických rozhraní, jakými jsou zlomy, hranice geologických jednotek atp.

Lokalita Březový potok u Horažďovic je nejstarší. Zdejší granodiorit vznikl před 354 miliony let jako součást rozsáhlého komplexu tzv. středočeského plutonu o rozloze několika tisíc kilometrů čtverečních. Lokalitu Horka u Třebíče tvoří durbachit, hornina s ojedinělou genezí. Vznikl smíšením rozdílných typů magmat na rozhraní zemské kůry a pláště před 340 miliony let. Lokalita se nachází v největším tělese těchto hornin na světě – v třebíčském plutonu. Ze stejné doby pocházejí přeměněné horniny (tavené tzv. migmatitizované pararuly) lokality Janoch u jaderné elektrárny Temelín. Hornina vznikla působením vysokých tlaků a teplot na původní horniny tvořené usazeninami. Poslední horninou jsou žuly (granity) typu Čeřínek (lokalita Hrádek u Jihlavy) ve stáří okolo 320 milionů let. Hloubka těchto granitů sahá nejméně do deseti kilometrů a je součástí rozsáhlého tělesa – centrálního moldanubického plutonu. Vytipované horniny byly stabilní po stovky milionů let, zažily období slávy dinosaurů nebo nástup lidské civilizace a setrvají tak další miliony let. Mnohonásobně déle, než jakou životnost budou mít radionuklidy v námi vybudovaném hlubinném úložišti.

4. Model kontejneru pro použité jaderné palivo v měřítku 1 : 2. Každý palivový soubor bude mít vlastní pouzdro (pastelku) z nerezové oceli. Společně s podpůrnou vnitřní vestavbou bude celý systém obklopen obálkou ze silnostěnné uhlíkové oceli. Kontejner pro palivo z jaderné elektrárny Dukovany bude obsahovat šest pastelek, kontejner pro Temelínské palivo jen tři.

Snímek Jan Karlovský

Poděkování: Autor děkuje Martině Bílé a Nikol Novotné za cenné připomínky k textu.