Περιβάλλον: Τα Πυρηνικά Κατάλοιπα

Περιβάλλον: Τα Πυρηνικά Κατάλοιπα

Του Κώστα Κάππα*

Στον “κύκλο ζωής του καυσίμου” σε ένα πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, βασική μέριμνα από πλευράς ασφάλειας και οικονομικού κόστους είναι η διαχείριση: α) των ραδιενεργών καταλοίπων τα οποία παράγονται κατά την διάρκεια της λειτουργίας των πυρηνικών αντιδραστήρων και β) του εξηντλημένου καυσίμου πυρηνικού ραδιενεργού καταλοίπου. Τα κατάλοιπα αυτά είναι:

  • Προϊόντα σχάσης. Κυρίως Κρυπτόν Kr-85, Ιώδιο I-131 & I-133, Ξένον Xe-133 & Xe-135, Στρόντιο Sr-90, Καίσιο Cs-134 & Cs-137.
  • Παραγόμενα Ουράνια και Υπερουράνια στοιχεία λόγω των κρούσεων με τα νετρόνια και των ραδιενεργών μεταπτώσεων τους (μετατροπών σε άλλα χημικά στοιχεία): Ουράνιο U-235, U-236 & U-237, Ποσειδώνιο Np-237, Πλουτώνιο Pu-238, Pu-239, Pu-240, Pu-241 και Pu-242
  • Παραγόμενα ραδιενεργά ισότοπα από τις πυρηνικές αντιδράσεις στο κέλυφος των ράβδων καυσίμου, στο κέλυφος του αντιδραστήρα και ιδίως στο ψυκτικό υγρό: Τρίτιο H-3, Άνθρακας C-14, Άζωτο N-13 & N-16, Οξυγόνο O-19, Φθόριο F-18 και Αργόν Ar-41.
  • Άλλα ραδιενεργά ισότοπα τα οποία παράγονται από αντιδράσεις με μέταλλα και προϊόντα διάβρωσης, σε διάφορα τμήματα του αντιδραστήρα: Χρώμιο Cr-51, Μαγγάνιο Mn-54, Σίδηρος Fe-59, Κοβάλτιο Co-58 & Co-60, Ψευδάργυρος Zn-65, Αντιμόνιο Sb-124.

Στην Ευρωπαϊκή Ένωση, περισσότερο από το 85% του παραγόμενου όγκου ραδιενεργών καταλοίπων (βιομηχανικά, ιατρικά και πυρηνικά) αποτελούν τα βραχύβια κατάλοιπα χαμηλής και µεσαίας ενεργότητος (short LILW), περίπου το 5% αποτελούν τα μακρόβια κατάλοιπα χαµηλής και µεσαίας ενεργότητος (long LILW) και ποσοστό μικρότερο του 10% αποτελούν τα κατάλοιπα υψηλής ενεργότητος (HLW).

[Ας σημειωθεί ότι η “ραδιενέργεια” δεν εκπέμπεται. Είναι η ιδιότητα ορισμένων ουσιών να εκπέμπουν αυθόρμητα ενέργεια (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία καθώς και νετρόνια, πρωτόνια, ηλεκτρόνια, θραύσματα και άλλα σωμάτια). Ανάλογα με το πόσο υψηλή είναι η εκπεμπόμενη ενέργεια, μιλάμε για χαμηλή ή υψηλή “ενεργότητα” της ραδιενεργού ουσίας].

Η βασική Αρχή της διαχείρισής τους περιλαμβάνει τον περιορισµό και την αποµόνωση από τους ανθρώπους και την βιόσφαιρα, για όσο διάστηµα αυτά συνιστούν ραδιολογικό κίνδυνο. Αυτός ο κίνδυνος ελαττώνεται µε την πάροδο του χρόνου, λόγω της φυσικής διάσπασης των ραδιενεργών πυρήνων τους. Η απομόνωση ή/και η εξουδετέρωση των καταλοίπων διασφαλίζεται µε µια σειρά μέσων, όπως περιγράφεται και στην συνέχεια.

Βραχύβια κατάλοιπα χαμηλής και ενδιάμεσης ενεργότητος

Η διάθεση (η επεξεργασία εξουδετέρωσής) τους, γίνεται συνήθως κοντά στις εγκαταστάσεις χρήσης τους. Αφορά σε μολυσμένα εξαρτήματα, ρούχα, αντλίες, συστατικά φίλτρων νερού και άλλα κατάλοιπα βιομηχανίας και νοσοκομείων. Κάθε ραδιενεργό κατάλοιπο ταυτοποιείται, καταγράφεται, όπως και ο χρόνος απομείωσης της ενεργότητός του. Τα κατάλοιπα στην συνέχεια συμπιέζονται και αποθηκεύονται σε κιβώτια ή και δεξαμενές από μόλυβδο, τα οποία ευρίσκονται επίσης εντός θωρακισμένων χώρων με μόλυβδο ή/και σκυρόδεμα.

Η παραμονή τους διαρκεί από ημέρες έως και μήνες και στην συνέχεια, όταν η ενεργότητά τους (η εκπομπή ιοντίζουσας ακτινοβολίας) ευρίσκεται στα επίπεδα του φυσικού περιβάλλοντος, απελευθερώνονται ή διοχετεύονται στα κοινά απόβλητα.

Μακρόβια κατάλοιπα χαμηλής και ενδιάμεσης ενεργότητος

Αφορά σε πυρηνικά κατάλοιπα αλλά και σε πηγές ακτινοβολίας κλινικής χρήσης στην διάγνωση και στην θεραπεία ασθενών (πηγές Κοβαλτίου, Ιριδίου, Καισίου, κ.α.).

Χαμηλής ενεργότητος μακρόβια κατάλοιπα.

Μετά από ικανό χρόνο αποθήκευσης, τα μεν υγρά ραδιενεργά διαλύματα με θερμική επεξεργασία ή υαλοποίηση μετατρέπονται σε σταθερές μορφές (π.χ. κεραμικές ή ύαλο), με σκοπό την περαιτέρω μείωση του όγκου τους και την εύκολη μακρόχρονη αποθήκευσή τους. Παράγονται επίσης κατ’ ευθείαν στερεά κατάλοιπα, τα οποία προέρχονται από δομικά υλικά των συστατικών του καυσίμου, από αδιάλυτα, διασκορπισμένα σωματίδια και οξείδια των μετάλλων και από αέρια συστατικά τα οποία ανακτώνται από ειδικούς αναρροφητές.

Μετά από μερικές δεκάδες χρόνια, τα (πολύ χαμηλότερης ενεργότητος πλέον) κατάλοιπα αποθηκεύονται σε κιβώτια από χάλυβα και τσιμέντο, παρακολουθούμενα και ελεγχόμενα συνεχώς.

Ενδιάμεσης ενεργότητος μακρόβια κατάλοιπα.

Αναμιγνύονται με σκυρόδεμα και εγκλείονται σε κυβικά δοχεία από χάλυβα ή σκυρόδεμα, τα οποία τοποθετούνται σε αποθηκευτικά τούνελς βαθιά στο υπέδαφος. Μετά από 500 χρόνια, η ενεργότητα των καταλοίπων ενδιάμεσης επικινδυνότητος κατέρχεται στα επίπεδα ενεργότητος των γειτονικών πετρωμάτων.

[Για να δοθεί μία ιδέα των πραγματικών διαστάσεων του προβλήματος και να μην γιγαντώνεται στην φαντασία των πολιτών: Οι πλέον κοινές πηγές Κοβαλτίου-60 για βιομηχανική χρήση έχουν διαστάσεις με διάμετρο 1 cm και μήκος 45 cm. Παγκοσμίως υπάρχουν 82.000 πηγές σε χρήση οι οποίες καταλαμβάνουν συνολικά χώρο 3,6 κυβικά μέτρα ή ένα μικρό container… Επίσης οι πηγές Κοβαλτίου-60 για ακτινοθεραπεία του καρκίνου έχουν διαστάσεις 1cm x 1 cm… Τονίζεται όμως, ότι για να μεταστοιχειωθεί το ραδιενεργό Κοβάλτιο-60 σε ακίνδυνο μη-ραδιενεργό Νικέλιο-60 απαιτούνται τουλάχιστον 175 χρόνια].

Προσωρινή Αποθήκευση καταλοίπων υψηλής ενεργότητος

Το πυρηνικό καύσιμο συνίσταται από μικρά μαύρα δισκία (“pellets”) διοξειδίου του Ουρανίου τα οποία στοιβάζονται σε κάθετες στοίβες σε σχήμα ράβδων. Το καύσιμο παραμένει στον πυρήνα του αντιδραστήρος έως ότου εξαντληθεί (περίπου μία πενταετία). Στο τέλος της πενταετίας είναι ακόμη έντονα ραδιενεργό και εκπέμπει μεγάλες ποσότητες ιοντίζουσας ακτινοβολίας και θερμότητος.

Μία από τις συνήθεις διαδικασίες διαχείρισης του κατάλοιπου είναι η προσωρινή αποθήκευσή του σε δεξαμενή γεμάτη νερό, σε μικρή απόσταση από τον αντιδραστήρα. Το νερό ψύχει το εξηντλημένο Ουράνιο το οποίο υφίσταται συνεχή ραδιενεργό φθορά και ταυτόχρονα θωρακίζει το περιβάλλον, απορροφώντας την εκπεμπόμενη ιοντίζουσα ακτινοβολία.

Αυτή την μέθοδο εφαρμόζουν στην μονάδα “Clab” στην Σουηδία. Πρόκειται για την βασική μονάδα αποθήκευσης εξαντλημένων πυρηνικών καυσίμων της χώρας, σε λειτουργία από το 1985.

Κατ’ αρχήν, τα κατάλοιπα αποθηκεύονται για ένα έτος σε δεξαμενές με κρύο νερό, στον χώρο του πυρηνικού εργοστασίου, ώστε να ψυχθούν. Η ενεργότητά τους μειώνεται στο 10% της αρχικής της τιμής και το καύσιμο τοποθετείται σε ειδικά βυτία τα οποία μεταφέρονται στο Clab.

Το Clab ευρίσκεται κοντά στις εγκαταστάσεις του πυρηνικού εργοστασίου του Oskarshamn στην Simpevarp Peninsula και διαθέτει μεγάλες δεξαμενές νερού κτισμένες μέσα στους βράχους σε βάθος 30 μέτρων, κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Σε αυτές τις δεξαμενές, το εξηντλημένο πυρηνικό καύσιμο αποθηκεύεται για 30 έως 40 έτη ώστε να ψυχθεί και να μειωθεί η ενεργότητά του ακόμη περισσότερο. Με την ολοκλήρωση της χρονικής αυτής περιόδου, η ενεργότητα του καυσίμου έχει ελαττωθεί στο 0,5 % της αρχικής.

Οριστική και ασφαλής ταφή καταλοίπων υψηλής ενεργότητος

Για τα κατάλοιπα υψηλής ενεργότητος (HLW), επικρατεί η επιστημονική και τεχνική συναίνεση σε παγκόσμια κλίµακα σύµφωνα µε την οποία, η ταφή τους σε κατάλληλους γεωλογικούς σχηματισμούς μεγάλου βάθους αποτελεί την ασφαλέστερη και βιωσιµότερη επιλογή.

Επιτρέπεται με αυτήν την τεχνική ο καλύτερος έλεγχός τους, ο εντοπισμός και η διαχείριση οποιουδήποτε προβλήματος προκύψει. Δύο παραδείγματα είναι χαρακτηριστικά:

Η Καναδική Κυβέρνηση μελετά σοβαρά την εφαρμογή του λεγόμενου “DGDC – Deep Geological Disposal Concept”.

Σύμφωνα με το σχέδιο αυτό, μία τρύπα (κρύπτη) θα κατασκευαστεί 500 με 1000 μέτρα στο υπέδαφος, κάτω από το λεγόμενο “Canadian Shield”, μία από τις σταθερότερες γεωλογικές πλατφόρμες του πλανήτη. Οι κρύπτες θα κατασκευαστούν στο εσωτερικό πετρωμάτων (ηλικίας περίπου ενός δισεκατομμυρίου ετών) γνωστών ως “βαθόλιθοι–batholiths”. Οι βαθόλιθοι (βάθος+λίθος) είναι γεωλογικά σταθερά πυριγενή πετρώματα από μάγμα το οποίο έχει ψυχθεί, χωρίς την παρουσία υπογείων υδάτινων ρευμάτων.

Τα ραδιενεργά κατάλοιπα θα εγκλείονται σε αντιδιαβρωτικό κιβώτιο (container) το οποίο και θα υπερκαλύπτεται από στρώμα ειδικής απορροφητικής αργίλου. Το κιβώτιο έχει σχεδιασθεί να αντέξει για πολλές χιλιάδες χρόνια, ενώ η άργιλος θα καθυστερεί τον ρυθμό διάβρωσής του.

Η Σουηδική Τεχνολογία “KBS-3”.

Οι ράβδοι από εξηντλημένο πυρηνικό καύσιμο τοποθετούνται σε θαλαμίσκους (κάψουλες) από σίδερο και αυτοί με την σειρά τους σε δοχεία από χαλκό.

Στα πετρώματα του υπεδάφους και σε βάθος 500 μέτρων κατασκευάζονται τούνελ. Στο δάπεδο των τούνελ ανοίγονται οπές και εκεί ενταφιάζονται τα χάλκινα δοχεία με το ραδιενεργό υλικό. Τα χάλκινα δοχεία περιβάλλονται από απορροφητικό αργιλώδη πηλό, ο οποίος έχει την ιδιότητα να φουσκώνει όταν έρχεται σε επαφή με υγρασία και τελικά να σταματά την οποιασδήποτε διείσδυση νερού.

Όταν η όλη εγκατάσταση θα έχει πληρωθεί (όταν θα ενταφιαστεί στην τελευταία οπή του, το τελευταίο από τα 4500 χάλκινα δοχεία τα οποία μπορεί να αποθηκεύσει η όλη δομή) θα καλυφθεί συνολικά και αυτή από απορροφητικό αργιλώδη πηλό. Στην συνέχεια η εξωτερική θύρα θα κλειδωθεί και ασφαλιστεί. Δεν θα χρειαστεί πλέον καμμία συντήρηση ή επιτήρηση της εγκατάστασης στο διηνεκές.

Είναι πράγματι ασφαλής ο ως άνω μηχανισμός για π.χ. 100.000 χρόνια (έως ότου τα επίπεδα ενεργότητος κατέλθουν στο επίπεδο του φυσικού ορυκτού Ουρανίου); Η αποθήκευση αυτή στηρίζεται στην φιλοσοφία της “άμυνας του βάθους”. Αυτό σημαίνει ότι εάν εμφανισθεί κάποια δυσλειτουργία, υπάρχει πάντα ένα επιπλέον στρώμα άμυνας. Αν και αυτό δεν συγκρατήσει την διαρροή τότε υπάρχει ένα επιπλέον κ.ο.κ.. Πράγματι:

  • Το 1ο στρώμα είναι αυτά καθ’ εαυτά τα δισκία καυσίμου. Είναι κατασκευασμένα από κεραμικό υλικό και πολύ ανθεκτικά στην διάλυσή τους από το νερό.
  • Το 2ο στρώμα άμυνας είναι τα χάλκινα δοχεία (canisters) τα οποία περιβάλλουν τα δισκία καυσίμου. Τα δοχεία αυτά έχουν μήκος 5 μέτρων και διάμετρο 1 μέτρου. Πληρώνοντάς τα με εξηντλημένο καύσιμο, ζυγίζουν 25-27 τόνους. Πειράματα και έρευνα (π.χ. αρχαία μεταλλεύματα χαλκού στο εσωτερικό των πετρωμάτων και κανόνια από χαλκό τα οποία είχαν παραμείνει στον βυθό της θάλασσας περισσότερο από 300 χρόνια) οδηγούν στο συμπέρασμα ότι τα χάλκινα δοχεία θα υποστούν διάβρωση από 0,02 mm στην καλλύτερη περίπτωση έως 4,40 mm το μέγιστο μετά από 100.000 χρόνια επαφής με το νερό. Αν και είναι υπερβολικό, αποφασίσθηκε το κέλυφος να έχει πάχος 50 mm.
  • Το 3ο στρώμα άμυνας είναι ο απορροφητικός αργιλώδης πηλός. Ο πηλός επιδρά σε δύο επίπεδα:

α) Προστατεύει τα χάλκινα δοχεία από τις γεωλογικές μετακινήσεις (π.χ. σεισμούς). Η Σουηδία είναι γεωλογικά, μία από τις περισσότερο σταθερές περιοχές του πλανήτη. Νέα όμως περίοδος παγετώνων, θα μπορούσε να προκαλέσει σεισμούς στην περιοχή αυτή.

β) Προστατεύει τα χάλκινα δοχεία από την διάβρωση. Εάν ένα από τα χάλκινα δοχεία αρχίσει να έχει διαρροή, το νερό είναι αυτό το οποίο θα συμπαρασύρει τα ραδιενεργά ισότοπα και θα τα οδηγήσει στην επιφάνεια του εδάφους. Χωρίς νερό δεν υπάρχει διάβρωση. Καθώς ο πηλός φουσκώνει, σκληραίνει, στεγνώνει και απωθεί το νερό.

  • Στην εξαιρετικά απίθανη περίπτωση κατά την οποία το καύσιμο θα διαλυθεί από το νερό, τα χάλκινα δοχεία θα διαβρωθούν και τα ραδιενεργά ισότοπα θα διασπάσουν τον πηλό, τότε ως 4ο στρώμα άμυνας θα λειτουργήσουν τα 500 μέτρα πετρωμάτων, τα οποία ευρίσκονται μεταξύ του εξηντλημένου πυρηνικού καυσίμου και της βιόσφαιρας.

Το όλο πρόγραμμα αποθήκευσης πυρηνικών καταλοίπων της Σουηδίας καλύπτεται οικονομικά από φόρους: κάθε kWh ηλεκτρικής ενέργειας παραγόμενης από πυρηνική ενέργεια επιβαρύνεται με 0,1 λεπτό, το οποίο καταλήγει στο Ταμείο Διαχείρισης Πυρηνικών Καταλοίπων. Το χρηματικό αυτό απόθεμα καλύπτει την έρευνα διαχείρισης καταλοίπων, την συλλογή και μεταφορά τους, την κατεδάφιση πυρηνικών εγκαταστάσεων και την κατασκευή μονίμων αποθηκών εξηντλημένου καυσίμου.

Επανεπεξεργασία

Η τεχνική της επανεπεξεργασίας (NuclearReprocessing) του ήδη χρησιμοποιημένου και εξηντλημένου πυρηνικού καυσίμου σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, είναι αρκετά ελκυστική διότι α) ανακυκλώνει το πυρηνικό καύσιμο και β) διευκολύνει την καλλίτερη εξουδετέρωση των πυρηνικών καταλοίπων. Ήδη η επανεπεξεργασία εφαρμόζεται σε σχετικά βιομηχανική κλίμακα, κυρίως σε τρία σημεία παγκοσμίως: στο LeHague (Γαλλία), Sellafield (Ηνωμένο Βασίλειο) και Majak (Ρωσία). Επίσης, σε σειρά χωρών υπάρχουν εθνικά προγράμματα για την άμεση εφαρμογή της μεθόδου, όπως π.χ. στην Ιαπωνία και Η.Π.Α.

Μεταστοιχείωση (Transmutation)

Μία πολλά υποσχόμενη τεχνική εξουδετέρωσης των ραδιενεργών καταλοίπων είναι η μεταστοιχείωση (“transmutation”): ραδιενεργές ουσίες μεγάλου χρόνου ημιζωής, εκτιθέμενες σε πυκνή ροή νετρονίων, μετατρέπονται σε ουσίες οι οποίες είναι σταθερές πλέον ή έχουν μικρό χρόνο ημιζωής. Η τεχνολογία αυτή ευρίσκεται ακόμη σε σχετικά αρχικά στάδια και η πλήρης εφαρμογή και εκμετάλλευσή της θα απαιτήσει αρκετό χρόνο ακόμη.

Διάστημα

Άλλες μελέτες προτείνουν την εκτόξευση των ραδιενεργών αποβλήτων στο διάστημα. Αυτή η λύση θα ήταν οριστική, αλλά πολύ δύσκολη και δαπανηρή σήμερα.

Η ευθύνη διασφάλισης των πυρηνικών καταλοίπων βαραίνει εκείνους οι οποίοι τα παράγουν, δηλαδή τις ίδιες τις βιομηχανίες (δημόσιες ή ιδιωτικές). Η τελική ευθύνη και ο έλεγχος για την ασφάλεια των διαδικασιών, εμπίπτει στα κράτη. Επιπλέον, αποτελεί αποδεκτή δεοντολογική αρχή ότι η κοινωνία πρέπει να αποφεύγει να επιβάλλει επιβαρύνσεις για τις μελλοντικές γενιές, και ως εκ τούτου, η σημερινή γενιά, η οποία επωφελείται από την πυρηνική ενέργεια για την παραγωγή ηλεκτρισµού ή για ιατρική χρήση, έχει την υποχρέωση να διαχειριστεί κατάλληλα όλα τα υπάρχοντα απόβλητα ή κατάλοιπα.

* Ο Κώστας Κάππας είναι καθηγητής Ιατρικού Τμήματος Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, Ακτινοφυσικός – Υπεύθυνος Ακτινοπροστασίας Παν/κού Νοσοκομείου Λάρισας και Παν/μίου Θεσσαλίας.

ΠΗΓΗ: 30.10.2018 , http://artinews.gr/…B1.html