Technologia

Fiński grobowiec na odpady

Numer 4/2018
Energetyka jądrowa na świecie (stan w 2014 r.). Polska trafiła obecnie do kategorii krajów, które planują budowę elektrowni jądrowej. Energetyka jądrowa na świecie (stan w 2014 r.). Polska trafiła obecnie do kategorii krajów, które planują budowę elektrowni jądrowej. Peteri / Shutterstock
Energetyka jądrowa liczy już sześć dekad, a my wciąż nie wiemy, co zrobić z najgroźniejszymi odpadami. Finlandia pierwsza postanowiła umieścić je w skalnym schronie, który ma przetrwać co najmniej 100 tys. lat. Budowa ruszyła, a eksperci zastanawiają się, kiedy naprawdę ów schowek przestanie być szczelny.
Finlandia.Infografika Krzysztof Szczygielski Finlandia.
Uproszczony schemat działania elektrowni jądrowej: paliwo uranowe (w lewym dolnym rogu) jest źródłem energii cieplnej, dzięki której powstaje para wodna wprawiająca w ruch turbinę i generator prądu.piscari/Shutterstock Uproszczony schemat działania elektrowni jądrowej: paliwo uranowe (w lewym dolnym rogu) jest źródłem energii cieplnej, dzięki której powstaje para wodna wprawiająca w ruch turbinę i generator prądu.

Onkalo oznacza po fińsku jaskinię. Tak właśnie nazwano miejsce, do którego za kilka lat trafi wypalone paliwo jądrowe z fińskich elektrowni atomowych. Będzie to pierwsze takie składowisko na świecie. Ulokowane zostanie na głębokości 420 m pod bałtycką wyspą Olkiluoto. Na tym porośniętym tajgą skrawku lądu pracują dwa reaktory atomowe zbudowane 40 lat temu; jest też trzeci reaktor, najnowszy, którego budowa ciągnie się od ponad dekady, a jej końca nie widać. W odległości kilometra od reaktorów, oddzielony od nich lasem świerkowym, znajduje się jeszcze jeden plac budowy. Kluczowym elementem na nim jest wjazd do pięciokilometrowego tunelu wydrążonego w prastarych, liczących prawie 2 mld lat skałach. To droga do przyszłego podziemnego składowiska, które docelowo będzie liczyć 137 tuneli o łącznej długości 37 km. Do tuneli trafią kanistry z wypalonymi prętami paliwowymi. Upłyną tysiące, a potem dziesiątki tysięcy lat, a one nadal będą tam tkwiły. Tak właśnie człowiek próbuje się uchronić przed zagrożeniem, które sam wytworzył.

Reaktory atomowe produkują trzy rodzaje odpadów promieniotwórczych – o niskiej, średniej i wysokiej aktywności. Najgroźniejsze są te ostatnie, które jeszcze przez wiele tysięcy lat będą emitowały zabójcze dla człowieka dawki promieniowania jonizującego. Głównym takim odpadem są wypalone pręty paliwowe. Elektrownia o mocy 1000 MW dostarcza co roku ok. 27 t takich prętów – w skali globu jest to obecnie 12 tys. t. W ciągu minionych sześciu dekad energetyka jądrowa obdarowała nas łącznie mniej więcej 250 tys. t wysokoaktywnych odpadów. Za kolejne sześć dekad zbliżymy się do miliona ton, zakładając obecne tempo produkcji.

Co zrobić z tym brzemieniem, które ciążyć nam będzie coraz bardziej? Na razie najgroźniejsze odpady przechowuje się w tymczasowych składowiskach na powierzchni ziemi lub płytko pod nią. Zużyte pręty często trzyma się na dnie głębokich basenów – woda chłodzi je i zarazem pochłania promieniowanie. Taka sytuacja nie może jednak trwać wiecznie. Odpady pozostaną groźne jeszcze przez wiele tysięcy lat. W końcu trzeba będzie coś z nimi zrobić. Uświadomiono to sobie dopiero pod koniec lat 70., złotej ery energetyki jądrowej, kiedy zaczęło szybko przybywać reaktorów, a wraz z nimi – radioaktywnych odpadów. Niektórzy chcieli je wystrzelić w kosmos, inni – ukryć w głębinach oceanicznych lub pod lądolodem Antarktydy. Grupa geofizyków wskazała na rowy oceaniczne, w których jedna płyta tektoniczna wsuwa się pod drugą i nurkuje w głąb planety. Zaproponowano wykonanie odwiertów i umieszczenie na ich dnie kapsuł z wypalonym paliwem, które następnie zostałyby wciągnięte do wnętrza globu. Wszystkie te koncepcje były albo ryzykowne, albo niewykonalne. W końcu ostał się jeden pomysł. Polegał na umieszczeniu silnie radioaktywnych odpadów w skałach głęboko pod ziemią. To jedyny poważnie analizowany scenariusz. Jego testowanie trwa już 40 lat, czyli znacznie dłużej, niż trwało zbudowanie pierwszej bomby atomowej, a potem pierwszej elektrowni jądrowej.

Szwedzi dają przykład

Jako jedni z pierwszych zaczęli sprawdzać możliwość umieszczania odpadów wewnątrz warstw skalnych, wybierając na miejsce eksperymentów dawną kopalnię żelaza Stripa, po której pozostała sieć tuneli schodzących na głębokość 440 m. Badania prowadzili tam w latach 1976–1992 najpierw sami, potem wspólnie z naukowcami z USA, Wielkiej Brytanii, Francji, Japonii, Kanady i kilku innych krajów, w tym także Finlandii. Głównie zajmowano się obserwacją wędrówek wód gruntowych, by zobaczyć, jakie są szanse ucieczki odpadów radioaktywnych z takich głębokich skalnych magazynów. Równolegle na bałtyckiej wyspie Äspö, znajdującej się ok. 200 km na południe od Sztokholmu, Szwedzi rozpoczęli budowę niezwykłego podziemnego obserwatorium naukowego. Wybrali to miejsce, bo mieli tu dostęp zarówno do skał nieprzepuszczalnych, jak i silnie spękanych. Mogli więc równocześnie testować zarówno scenariusz idealny, jak i niekorzystny. Ten drugi polega albo na dostaniu się wód krążących w szczelinach skalnych do materiału rozszczepialnego i wyniesieniu go na powierzchnię, albo na dobraniu się do niego mikroorganizmów. Odkrycia z ostatnich lat dowiodły bowiem, że wewnątrz skał może się znajdować pokaźnych rozmiarów biosfera. Mikroorganizmy, a nawet maleńkie wielokomórkowce potrafią przetrwać na głębokości wielu kilometrów, a niektóre z nich całkiem nieźle znoszą wysokie dawki promieniowania jonizującego.

W Äspö nawiercono pionowy szyb windowy o głębokości 450 m, a następnie drugi szyb spiralny dla pojazdów. Badania na dole ruszyły w połowie lat 90. Prowadzono eksperymenty geofizyczne i obserwacje mikrobiologiczne. W specjalnych komorach skalnych trwały testy prototypowych pojemników na odpady promieniotwórcze. Wszystkie te analizy dekadę później doprowadziły szwedzkich badaczy do wniosku, że radioaktywny balast da się bezpiecznie umieścić pod ziemią, ale pod warunkiem zastosowania zaproponowanej przez nich metody magazynowania.

Zamysł Szwedów polega na wykorzystaniu potrójnego systemu osłon. Pierwszą osłonę stanowi żeliwny korpus w miedzianej osłonie. Wypalone pręty są umieszczane w środku żeliwnego kanistra o średnicy ok. 1 m i długości 5 m. Następnie cały ten cylinder, ważący łącznie 25 t, jest wsuwany do pionowej komory nawierconej w podłodze tunelu. Kolejny etap polega na wypełnieniu glinką bentonitową przestrzeni pomiędzy kanistrem a skalną ścianą schowka. Chłonący wodę bentonit stanowi drugą warstwę ochronną – ma nie dopuścić wód podziemnych do pojemnika z radioaktywną zawartością. Kiedy już wszystkie krypty w tunelu zostaną wypełnione żeliwnymi sarkofagami, zamuruje się go bloczkami bentonitu (Szwedzi zbudowali nawet specjalnego robota do układania takich bloczków), a na koniec zaleje betonem. Następnie w skale zostanie wydrążony kolejny tunel z kryptami w podłodze.

Trzecią warstwę osłonową stanowi sama skała. Dlatego musi być masywna, pozbawiona szczelin i w znikomym stopniu przepuszczalna dla wody. Podczas eksperymentów prowadzonych w Äspö w kanistrach nie było substancji radioaktywnych. Wkładano do nich elektryczne grzejniki symulujące ciepło emitowane przez odpad radioaktywny. Po upływie kilku lat zbiorniki wydobywano i sprawdzano, czy zaczęły korodować i czy dotarła do nich woda gruntowa. Pobierano próbki do analiz mikrobiologicznych, aby zobaczyć, czy w pobliżu kanistrów pojawiły się jakieś mikroorganizmy. W końcu uznano, że trójwarstwowa osłona powinna wytrzymać co najmniej kilkadziesiąt tysięcy lat.

Finowie są szybsi

Jednak to nie Szwedzi pierwsi zrealizują swoje pomysły. Wyprzedzą ich Finowie. Co prawda Svensk Kärnbränslehantering (SKB), przedsiębiorstwo zarządzające odpadami promieniotwórczymi w tym kraju, już w 2011 r. wskazało miejsce ich przyszłego składowania – to Forsmark, maleńka miejscowość leżąca nad Bałtykiem, kilkadziesiąt kilometrów na północ od Sztokholmu – ale szwedzki rząd do dziś nie podjął decyzji w tej sprawie i raczej na pewno nie podejmie jej w tym roku. Tymczasem Finowie zgodzili się na Onkalo dwa lata temu, a prace budowlane ruszyły w zeszłym roku. Sam tunel wiodący na dół wydrążono tu już w zeszłej dekadzie, by prowadzić badania podobne do tych w Äspö. Finowie od początku współpracują ze Szwedami, bo ci drudzy uznali, że zdublowanie testów i eksperymentów wyjdzie wszystkim na korzyść. Forsmark i Onkalo leżą niemal naprzeciw siebie po obu stronach Zatoki Botnickiej; w linii prostej dzieli je niewiele ponad 200 km. Oba miejsca mają podobne podłoże skalne – tworzą je liczące około 2 mld lat granity i gnejsy należące do najstarszych skał w Europie.

Oba kraje (do spółki z Kanadą) zorganizowały wspólną ekspedycję na Grenlandię, gdzie przyglądano się wędrówkom wód wypływających z lądolodu i przenikających do skalnego podłoża wyspy. Skąd pomysł na takie badania? – W ciągu ostatniego miliona lat Skandynawia była wiele razy zajmowana przez lądolód o grubości wielu kilometrów, podobny do współczesnego lądolodu grenlandzkiego. Za kilkadziesiąt tysięcy lat, a może nawet szybciej, taka inwazja lodu może się powtórzyć – tłumaczy kierowniczka wyprawy Anne Kontula z firmy Posiva Oy, odpowiedzialnej za składowanie odpadów promieniotwórczych w Finlandii (w tym za wybudowanie i uruchomienie Onkalo).

Chociaż prastare skały są bardzo sztywne i odporne na nacisk, to – jak dowodzi najnowsza historia geologiczna tych terenów – i one uginają się pod wielokilometrową czaszą lodową. – Choć ostatnia epoka lodowcowa dobiegła końca 10 tys. lat temu, to Skandynawia do dziś nie odzyskała równowagi tektonicznej. Nadal podnosi się po ustąpieniu lodowca plejstoceńskiego. Te powolne ruchy skorupy ziemskiej są na co dzień nieodczuwalne, ale w ciągu 100 tys. lat mogą doprowadzić do znacznych przesunięć w obrębie warstw skalnych. Tworząc nasz magazyn, musimy uwzględnić i takie czynniki – mówi Kontula.

Początkowo myślano, że tak niebezpieczne składowiska należy ukrywać jak najgłębiej pod ziemią. W USA pojawił się pomysł wydrążenia odwiertów o długości kilku kilometrów i opuszczeniu tam wypalonych prętów. Jednak wycofano się z niego. Analizy geofizyczne wskazały bowiem, że poniżej głębokości 600 m ciśnienie skał może zgnieść kanistry i uwolnić znajdujący się w nich uran. Zarazem składowisko nie może powstać zbyt płytko, bo im bliżej powierzchni, tym w skałach jest więcej szczelin i wód gruntowych. W przypadku Onkalo zdecydowano się w końcu na poziom 420–450 m.

Uczyniono tak z jednego jeszcze powodu: ewentualne nadejście kolejnego zlodowacenia wiąże się z głębokim przemrożeniem gruntu w sąsiedztwie lądolodu. Do dziś połowę Rosji i Kanady oraz większość Alaski zajmuje wieczna zmarzlina, która jest reliktem z plejstocenu. Mróz sięga nawet na 1,5 km w głąb Ziemi. Takie rekordowe wartości zanotowano na Syberii. W Kanadzie grubość zmarzliny dochodzi do 700 m. Wieczna zmarzlina istniała pod koniec plejstocenu również na terytorium dzisiejszej Finlandii i Szwecji (a także Polski). Składowisko trzeba było usytuować na tyle nisko, aby mróz przenikający z powierzchni nie dotarł do kanistrów. – Uznaliśmy, że 420 m to bezpieczny poziom. Podczas plejstocenu wieczna zmarzlina w pobliżu Onkalo nigdy nie sięgnęła tak głęboko – mówi Kontula.

Schować i zapomnieć?

Układanie scenariuszy, których horyzont czasowy obejmuje 100 tys. lat, jest zajęciem karkołomnym. Czy w ogóle nasz gatunek będzie wtedy jeszcze istniał? Popatrzmy wstecz: 100 tys. lat temu Europa znajdowała się w środku epoki lodowej i za chwilę miał się na nią nasunąć od północy kolejny olbrzymi lodowiec. Homo sapiens nie dotarł jeszcze na kontynent europejski, po którym wędrowały stada mamutów i nosorożców włochatych. Dopiero 10 tys. lat temu człowiek zaczął uprawiać ziemię i zakładać pierwsze stałe osady. Najstarsze egipskie piramidy mają około 4,6 tys. lat, a Stonehenge liczy zapewne jakieś 5 tys. lat.

Z tej perspektywy wydaje się, że Onkalo będzie istniało wiecznie. Teoretycznie pierwsze żeliwne pojemniki z odpadami radioaktywnymi mają do niego trafić za trzy lata. Pod koniec zeszłego roku rozpoczęto budowę zakładu, w którym wypalone pręty będą umieszczane wewnątrz kanistrów. Lada dzień rozpocznie się nawiercenie pierwszego tunelu, gdzie na początek powstaną cztery krypty na sarkofagi z uranem. Po nich przyjdzie kolej na następne. Łącznie będzie tych krypt 3250. Pomieszczą 6500 t trefnego materiału. Aż w końcu gdzieś tak na początku następnego stulecia składowisko zostanie zapełnione. Wtedy wiodący do niego tunel zostanie zasypany żwirem i kamieniami oraz zalany betonem. Również na powierzchni wszystkie ślady zostaną zatarte. Przybysz, który zjawi się tu w połowie XXII w., zobaczy jedynie las. Naukowcy zastanawiają się, czy miejsce to powinno zostać w jakiś sposób oznaczone jako niebezpieczne, czy też przeciwnie – należy o nim zapomnieć. W pierwszym przypadku ryzyko jest takie, że zawsze może się znaleźć ciekawski, który zechce zajrzeć pod spód. W drugim przypadku przyszłe pokolenia nie zostaną ostrzeżone przez zagrożeniem drzemiącym w ziemi, a poza tym nikt nie będzie wtedy monitorował procesów mogących zagrozić szczelności składowiska. Czy byłoby to odpowiedzialne? Finowie mają 100 lat, by znaleźć właściwą odpowiedź.

Tymczasem inni im się uważnie przyglądają. Nie ma miesiąca, aby do Onkalo nie przyjechała grupa naukowców z któregoś z krajów przymierzających się do zbudowania podobnego składowiska. Bo Finlandia to na razie jedyny kraj, w którym udało się przekonać lokalną społeczność do takiej inwestycji. W gminie Eurajoki, na której terenie znajduje się Onkalo, konsultacje społeczne prowadzono w latach 1993–2000. Ludzie przystali na składowisko m.in. w zamian za wysoką doroczną daninę płaconą przez firmy energetyczne, do których należą elektrownie jądrowe. Poza tym obawy mieszkańców były mniejsze, bo od dawna mają na swoim terenie reaktory oraz tymczasowe składowisko z wypalonymi prętami uranowymi.

Nie tak szybko

W innych krajach tak łatwo nie jest. Amerykanie po wielu dziesięcioleciach analiz oraz wydaniu miliardów dolarów zrezygnowali w 2010 r. z budowy składowiska Yucca Mountain w południowej Nevadzie. W 2013 r. podobny plan zablokowali mieszkańcy hrabstwa Kumbria na północy Anglii, chociaż znajduje się tam główny tymczasowy magazyn brytyjskich odpadów w Sellafield. Porażkę poniósł też rząd w Berlinie, który chciał stworzyć takie składowisko w dawnej kopalni soli w Saksonii Dolnej.

Najbliżej podjęcia decyzji są Szwedzi, ale i tam sprawa nie jest przesądzona. W 2012 r. grupa naukowców z Królewskiego Instytutu Technologicznego (KTH) w Sztokholmie opublikowała wyniki badań wskazujące, że miedziane osłony nie ochronią odpadów przez setki tysięcy lat, jak twierdzą pomysłodawcy tej metody. – Według naszych ocen staną się nieszczelne już po stu latach, a większość z nich skoroduje w ciągu tysiąca lat – mówi szef zespołu Peter Szakálos. Jego zdaniem potwierdzają to nawet te testy, które zarówno szwedzkie przedsiębiorstwo SKB, jak i fińskie Posiva Oy przeprowadziły w swoich laboratoriach. One jednak zaprzeczają, podkreślając, że badania korozji miedziowych osłon prowadzą od ćwierć wieku, a ich wyniki zostały wielokrotnie zweryfikowane pozytywnie przez niezależne zespoły z różnych krajów.

Mimo to szwedzki rząd, m.in. z powodu tych wątpliwości, już raz (w 2016 r.) odroczył decyzję w sprawie budowy składowiska w Forsmark. Kilka tygodni temu wypowiedział się w tej kwestii sąd środowiskowy w Sztokholmie, stwierdzając, że „wciąż nie ma pewności, czy kapsuły rzeczywiście wytrzymają tak długo”. Szwecja więc raczej śpieszyć się nie będzie. Również w Finlandii pojawiły się niedawno głosy, aby nie śpieszyć się tak bardzo z uruchomieniem Onkalo, a zamiast tego przeprowadzić dodatkowe testy, które potrwałyby przynajmniej pięć lat, a może nawet dekadę. – Zanim wydamy zgodę na umieszczenie pod ziemią pierwszej partii wypalonego paliwa, musimy mieć pewność, że tempo korozji kapsuł będzie znikome. Kanistry muszą pozostać szczelne przynajmniej przez pierwszych 5–10 tys. lat, gdy poziom promieniowania będzie rzeczywiście wciąż bardzo wysoki – deklaruje Jussi Heinonen, dyrektor z rządowego Urzędu Bezpieczeństwa Atomowego, sprawującego nadzór nad budową Onkalo.

Andrzej Hołdys
dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”

01.04.2018 Numer 4/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną