Ukládání odpadů Odpady, jež nelze využít k dalšímu zpracování, se ukládají v deponiích, jejichž budování se řídí určitými pravidly. Zpravidla jsou odpady ukládány v terénních depresích, ať už přírodních nebo v jamách po těžbě nějaké nerostné suroviny. Od podloží jsou odděleny několika izolujícímí vrstvami a po naplnění skládky před rekultivací jsou překryty rovněž několika vrstvami.
Ukládání a neutralizace odpadů
Izolace skládky proti horninovému podloží podle Jessbergra (1988) (zhora dolů): 10. Zemědělská půda. 9. Rekultivační vrstva - půdní horizont B. 8. Odvodňovací vrstva - viz 3. (může chybět). 7. Těsnění z geotextilu z umělé hmoty - viz 2, případně může chybět. 6. Minerální těsnící vrstva - viz 1. 5. Odplyňovací vrstva - příp. může chybět. 4. Vrstva odpadu. 3. Odvodňovací vrstva o zrnitosti 16 - 32 mm shromažďuje a pomocí potrubí asi 300 mm v průměru odvádí vodu prosakující skládkou. 2. Těsnění z geotextilie 1. Minerální těsnění (jílová vrstva)
Minerální těsnění Požadované vlastnosti: nepropustnost (v závislosti na obsahu bobtnavých jílových minerálů), schopnost adsorpce těžkých kovů (v závislosti na obsahu jílových minerálů nebo organických látek), plasticita podle obsahu jílových minerálů, jež způsobují sedání vrstvy a plastické zacelování případných trhlin. V této vrstvě se odehrávají všechny objemové změny v důsledku kapilárního nasávání vody z horninového podloží, příp. z vrstvy odpadu.
Struktura montmorillonitu
Těsnění z geotextilie Těsnění z geotextilie z umělé hmoty - vlastnosti: malé objemové změny při roztahování, zabránění průtoku kapalin, dlouhodobá stálost vůči chemikáliím, minimalizace difuzních pochodů. Možnost kombinace minerálního a textilního těsnění
Nepropustné fólie pro těsnění ¾
¾
¾ ¾
Lineární nízkohustotní polyetylen (LLDPE) – zvl. pro výstelku hydraulických struktur (nádrže, odkaliště) Vysokohustotní polyetylen (HDPE) nejrozšířenější geomembrána pro uložiště pevných a nebezpečných odpadů. Vysoce odolný k UV záření a chemikáliím. Zakrývání uložišť, výstelka lagun aj. Polypropylen (trvanlivý a ohebný) Armovaný polypropylen (ideální pro větrné lokality, s nepevným podložím, silné namáhání).
Složené izolační systémy
Pro uložiště pevných a tekutých odpadů jsou neúčinnější těsnicí vrstvou kombinace geomembrány a slabě propustných půd. Primární zisk této kombinace je odvozen z těsného kontaktu těchto dvou vrstev. Swelling index 24 ml / 2g Permeabilita 5 x 10-9 m/s Množství bentonitu 4.34 kg / m2
Bentofix
Pokládka kombinované geotextilie
Těsnění úložišť odpadů Kompozitní těsnění s použitím BENTOFIXu
Zakrývání úložišť
Použití geomembrán v prevenci znečištění - 1
Použití geomembrán v prevenci znečištění - 2
Překládání geomembrán
Je důležité vytvořit „pečet“ na místech překryvu dvou geomembrán přidáním bentonitu, aby se vyrovnaly eventuální nerovnosti v podkladu a minimalizoval vliv drtě, která se může nahromadit u překryvu.
Těsnění vytvářením geologických bariér Další příklad využití znalosti geologických procesů: srážení nerozpustných minerálů na geochemických rozhraních (jarosit) Závod na výrobu TiO2 a hnojiv v Armjansku (Krym): jezero kyselých odpadů o objemu 11.106 m3 (40 km2), pH = 0,8 Tvorba jarozitu K2Fe+++6(SO4)4(OH)12 na dně – vrstva 30 cm, pod ní jíly a směs sádrovce a ferrihydritu, pórové vody pod ní – pH = 6.2 Analogické využití – společné skládkování jarozitu a popílku. ¾
Využití geologických procesů při zneškodňování a ukládání odpadů Samoutěsňování propustných vrstev, vytváření nepropustných rozhraní – jarositové bariéry
Kam jdeme? Ke společnosti odhazovačné nebo recyklující? Současná euroamerická civilizace je vybudována na spotřebě stále "nových" věcí. Slovo "nový" se často objevuje u výrobků s minimálně změněnou funkčností. Nejdůležitější vlastností výrobků podléhajících módě není spolehlivost, bezpečnost a dokonalý servis, ale "built - in obsolescence" (zabudovaná zastaralost) Vance Packard - Waste Makers Reklamní agenti jsou „skrytí přemlouvači“. Přemlouvají nás, že nemůžeme být bez toho, co ve skutečnosti nepotřebujeme (viděl někdy někdo reklamu na obyčejný chleba?) Vance Packard - Hidden Persuaders
Radioaktivní odpady
Jaderné palivo - obohacování • Přírodní uran obsahuje cca 0,7% 235U a 99,3% 238U •Většina jaderných elektráren (vyjma CANDU a některých malých britských) potřebuje jako palivo uran s odlišným izotopickým složením: 3,5% a 235U a 96,53% 238U •Obohacování nejlépe probíhá v plynném stavu – žlutý koláč (diuranát amonný s přírodním izotopickým složením) se převede na plynný hexafluorid uranu UF6 •Obohacování (rozdělení plynu na izotopicky „lehčí“ a „těžší“ proudy se provádí většinou v centrifuze. Vzniká obohacený (palivový) uran a ochuzený uran (s cca 0,3% 235U).
Vyhořelé palivo ¾
¾
Vyhořelé palivo obsahuje zhruba 96% původního uranu, v němž se ovšem obsah štěpitelného 235U snížil na méně než 1%. Okolo 3% vyhořelého paliva představuje odpad a zbývající 1% je plutonium (Pu), vzniklé ještě v době, kdy palivový článek by v reaktoru. Jsou dvě cesty na zpracování vyhořelého paliva: recyklace a imobilizace s následným dlouhodobým skladováním.
Proč je vyhořelé palivo nebezpečné? ¾ ¾ ¾ ¾
Produkuje teplo Produkuje radioaktivní záření Produkuje je dlouhodobě Je toxické (Pu)
Mezisklad vyhořelého paliva Dukovany
Mezisklad vyhořelého paliva (GB)
Vztah mezi radioaktivitou (v Bq) a hmotností jaderných materiálů v palivovém cyklu
Závěr: odpady pravděpodobně zůstanou nebezpečné po příštích 100 milionů let (tolik přibližně uběhlo od křídy po recent)
Pokles radioaktivity: pochod na hodně dlouhé trati
Co s vyhořelým palivem? ¾ Skladovat v
nezměněném stavu
nebo ¾ Recyklovat ?
Recyklace vyhořelého paliva K oddělení U a Pu od odpadu (a obalu ze Zr keramiky) se palivové tyče rozsekají a rozpustí v kyselině, ze které se pak oddělí U, Pu a odpad. Recyklovaný uran lze opět konvertovat na UF6 a nabohatit (obsahuje <1% 235U) jej na úroveň palivového U. Získané plutonium lze míchat s obohaceným uranem na tzv MOX palivo (Mixed Oxide Fuel). ¾ Zbylých 3% vysoce radioaktivního odpadu (zhruba 750 kg za rok ze 1000 MW reaktoru) lze uložit v tekuté podobě a posléze jej solidifikovat. ¾
Tři typy radioaktivního odpadu ¾
¾
¾
Slabě aktivní odpad (Low-level waste - LLW) obsahuje dost radioaktivního materiálu na to, aby vyžadoval ochranu lidí, ale dost na to, aby musel být stíněn při skladování či nakládání s ním. Středně aktivní odpad (Intermediate-level waste ILW) vyžaduje stínění. Má-li víc než 4000 Bq/g dlouhodobých (s poločasem přes 30 let) alfa zářičů, je kategorizován jako „dlouhodobý" a vyžaduje mnohem sofistikovanější nakládání a likvidaci. Vysoce aktivní odpad (High-level waste - HLW) – natolik radioaktivní, že vyžaduje jak stínění, tak chlazení, produkuje >2 kW/m3 tepla a obsahuje vysoké koncentrace dlouhodobých alfa zářičů produkty štěpení (99Tc, 129I, 79Se a 135Cs) a aktinidy (239Pu a 237Np)
Úložiště středně a slabě aktivního odpadu ¾
Úložiště Dukovany (povrchové)
¾
Úložiště Richard a Bratrství (připovrchové)
Typy jaderných odpadů, které jsou uvažovány pro hluboká úložiště • Upravené vyhořelé palivo všech typů, včetně UO2 a paliva ze směsi oxidů UO2 a PuO2 (MOX) ze všech typů reaktorů • Vitrifikované vysoce radioaktivní odpady z přepracování vyhořelého paliva • Jiné dlouhodobě radioaktivní odpady ze zpracování paliva nebo dekontaminace ŽP • Materiál z likvidovaných jaderných zbraní • Jiné vysoce radioaktivní nebo dlouhodobě radioaktivní formy odpadu, včetně keramiky Synroc.
Hluboké ukládání: tři bariéry Tři nezávislé bariéry bránící proniknutí vysoce radioaktivního odpadu do biosféry (v časovém rozpětí 100.000 let): ¾ Geologické
vlastnosti úložiště ¾ Kontejner a obal odpadu ¾ Samotná forma odpadu
Zmnožené bariéry Konečné úložiště obecně obsahuje následující bariéry: (1) forma odpadu (imobilizovaná) (2) kontejner (vyroben z vhodného korozivzdorného materiálu, tj. nerez oceli, Cu nebo Ti) (3) cementový obal (4) zakládka (absorpční vrstva) (např. vysušený bentonit) (5) hostitelská hornina.
Geologická bariéra
Geologická bariéra Horninový masív musí být ¾ Dostatečně pevný na to, aby vstupní otvory zůstaly otevřené alespoň po několik dekád (dokud bude plněno) ¾ Málo propustný, s malou puklinatostí ¾ V oblasti bez zemětřesné nebo vulkanické aktivity ¾ V místě, kde je vyloučena tektonická činnost, která by odpad mohla vynést na povrch ¾ V místě kde je vyloučen výskyt uhlovodíků nebo ekonomických minerálů, aby se vyloučila možnost pozdější lidské intervence ¾ Množství podzemní vody na úrovni vlastního úložiště by mělo být minimální a voda by měla být nekorozivní ¾ Tvořen horninami s vysokou tepelnou vodivostí, aby teplota v okolí odpadu zůstávala nízká
Jaká horninová prostředí vyhovují těmto požadavkům ? ¾ Sůl ¾ Žula ¾ Bazalt ¾ Tuf - ignimbritový nebo zeolitický ¾ Břidlice ¾ Anhydrit
Výhody ¾ ¾ ¾ ¾
¾ ¾ ¾
¾
Velmi nepropustná Snadno se v ní hloubí Má vysokou tepelnou vodivost Může plasticky téct, takže po několik desetiletích se vstupní otvory samy uzavřou Bývá homogenní Je relativně hustá a nepropustná Je geologicky stálá, většinou tvoří tělese o průřezu několika km2, Je považována za nereaktivní substanci; nepředpokládá se, že by reagovala s jaderným odpadem.
Sůl
Sůl - nevýhody Rozměry otvorů se mohou pomalu měnit (plasticita soli se zvyšuje s teplotou) ¾ Pokud by došlo k akumulaci vody, sůl by se rozpouštěla za vzniku velmi korozivní solanky. Některá solná ložiska deposits obsahují přírodní solanky, které mohou migrovat v tepelném poli směrem ke kontejnerům ¾ Dlouhodobé vlivy záření na sůl – možné uvolnění Cl a vznik oxidačního prostředí – vyžadovalo by však silnější záření, než jaké produkuje jaderný odpad. ¾ Špatné sorpční schopnosti Přesto stále atraktivní – jak vrstevní ložiska soli, tak solné pně jsou posuzovány např. v USA (North Dayton dome 50km SZ od Houstonu - sloup 15,000 m vysoký s plochou na povrchu 9km2 s odhadovanou kapacitou 400,000m3 odpadu; v téže oblasti dalších 200 podobných pňů) a v Německu ¾
Žula Výhody – velká pevnost a mechanická stabilita – nemění tvar, malý obsah vody s nekorozivními vlastnostmi, přítomnost sekundárních minerálů (jílové minerály, hydroxioxidy) může zvyšovat sorpční schopnosti ¾ Nevýhody – obtížněji se v ní rube, mnohdy protkána systémem puklin (některé vyvolány rubáním), které mohou vést vodu i ve velkých množstvích; s hloubkou obojí klesá. Těžba by stála 2.6 x víc než u soli Uvažuje se ve Švédsku, Kanadě, Francii, Švýcarsku a Japonsku (v Norsku je v žulovém masívu podzemní úložiště odpadů ze zpracování Zn v provozu už od r. 1984) ¾
Bazalt Výhody – dobře udržuje tvar vyrubaných prostor, je nepropustný, spodní voda je slabě alkalická a má malý redox potenciál, vyskytuje se i v podobě rozsáhlých příkrovů flood bazaltů, má střední hodnoty tepelné vodivosti a snese velké tepelné zatížení, přítomnost sekundárních minerálů (smektity, zeolity) zlepšuje sorpční schopnosti. ¾ Nevýhody – často se vyskytuje v tenkých proudech, oddělených vrstvami drceného materiálu, jimiž může voda migrovat, často ohřátá (v hloubkové úrovni uložišť naměřeny teploty až 57°C), často má sloupcovitou odlučnost a/nebo dutiny. Někdy zvětrává přednostně podél trhlin, což spolu s vložkami sedimentárních hornin představuje potenciální migrační cesty pro vodu. ¾
Trvalá uložiště ve světě ¾
¾ ¾ ¾
¾
WIPP site: solný peň na SZ státu New Mexico (USA), pod hladinou podzemní vody, uložení kontejnerů s odpadem do tunelů v soli Problémy: voda v soli snadno migruje k horkým místům, solanky mohou způsobit korozi kovových kontejnerů Ukládání do solné vrstvy se také realizuje poblíž německého Hamburgu U nás Skalka – poblíž Rožné – v horninách svrateckého krystalinika (ruly, vložky mramorů a amfibolitů Hanford (USA, stát Washington): enkapsulace do čedičů Columbia River, pod hladinou podzemní vody Problémy: čedič je porézní, radioaktivita se už dostala do Columbia River Yucca Mountains: ryolitické tufy, nad hladinou podzemní vody. Problémy: neustálá perkolace spodní vody porézními vrstvami a podél trhlin; bude patrně využíváno pro nejradioaktivnější odpad
Potenciální oblasti vyhovující projektu PANGEA
Úložiště vysoce aktivních odpadů
Porovnání úložišť typu „umělé kaverny" a hlubokých vrtů. Předpokládaná cena immobilizace 35 až 40 $ na 1 kg odpadu
Koncept PANGEA (mezinárodní úložiště): 1. Velké, v podstatě neobydlené oblasti pustin nebo pouští, s jinak nulovou ekonomickou hodnotou 2. Oblasti s malými srážkami, bez zvodnělých vrstev (akviferů) nebo říčních systémů, které by mohly být ohroženy vybudováním úložiště. 3. Geologicky stálé (seismicky neaktivní) oblasti, uvnitř velkých granitových plutonů, které obvykle mají nejnižší propustnosti a žádné zvodně. Jsou to zároveň oblasti u nichž není pravděpodobné, že by v budoucnu měly ekonomickou hodnotu související s minerály.
Alternativy k hlubokým trvalým úložištím •Uložení na nebo při povrchu (Snadno monitorovatelné, snadno vyzvednutelné; citlivé na lidskou nebo přírodní intervenci) •Vynesení do vesmíru •Uložení do ledu (póly, ledovce) •Uložení do velmi hluboké jámy (vrtu) (příliš mnoho neznámých) •Uložení na mořském dně (variace: uložení do oblasti subdukční zóny, odkud se přirozenou cestou dostane do pláště)) •Nukleární „spalování“ nebo transmutace (Velmi nákladné, vyžaduje hodně zpracování škodlivých nuklidů)
Druhá bariéra Forma odpadu ¾ Nezměněná – vyhořelé palivo (tyče) ¾ Solidifikovaný odpad po recyklaci
vyhořelého paliva nebo demontáži jaderných hlavic
Zpracování HLW – současný stav Vitrifikace + výhody: laciné, sklo se snadno tváří do požadovaného tvaru – nevýhody: sklo při zahřátí snadno devitrifikuje, může reagovat se spodními vodami Vitrifikaci jaderného odpadu na borosilikátové sklo používají v USA, Japonsku, UK, Francii
Přepracování na keramiku V Austrálii a Kanadě krystalizují Synroc – keramiku z refraktorních titanátů, které přijímají do mřížky Pu, U, Cs, Sr: zirkonolit (Ca,Th,Ce)Zr(Ti,Nb)2O7, hollandit (Ba,K)(Mn,Ti,Fe)8O16, perovskit (Ca,Na)(Ti,Nd,Fe)O3 Kanada také zvažovala krystalizaci keramiky s titanitem místo perovskitu (k fixaci aktinidů)
Solidifikace ¾ ¾
¾
HLW produkuje >2 kW/m3 tepelné energie a má vysoké obsahy dlouhodobých alfa zářičů. I když je objem vysoce radioaktivního odpadu (HLW) malý v porovnání s celým objemem radioaktivních odpadů, obsahuje 99% radioaktivity a trvá 10 000 let aby se jeho radioaktivita dostala na úroveň, jakou má ruda z níž bylo palivo vyrobeno. Objem vysoce radioaktivního odpadu z 1000 MW reaktoru je po solidifikaci asi 3m3 za rok nebo 25-30 tun vyhořelého paliva Solidifikace je proces při němž je kapalný HLW nejprve kalcinován (vyžíhán) a pak smíchán se sklotvornými látkami a vytaven na sklovinu, která je nalita do vysoce korozivzdorných kontejnerů, které jsou posléze zavařeny. HLW z 1000 MW reaktoru vyprodukované za rok provozu naplní asi 10 kontejnerů, každý s rozměrem 0.5m x 1.2m.
Minerální formy vhodné pro dlouhodobou stabilizaci vysoce radioaktivního odpadu Zirkonolit Pyrochlor Hollandit Perovskit
CaZrTi2O7 (Ca2REE)Ti2O7 (Ba1.2(A1,Ti)8O16) CaTiO3
Baddeleyit
ZrO2
SYNROC
Zirkon ZrSiO4, xenotim YPO4 - (metamiktizace) Monazit CePO4 (metamiktizace); huttonit ThSiO4 (nepodléhá metamiktizaci!) Trvanlivost představuje souhrn nejrůznějších vlastností: mechanická pevnost, termodynamická stabilita, pomalá kinetika koroze, stabilita krystalové struktury (odolnost k metamiktizaci), difuzivita (možnost inkorporovat) pro stopové prvky s velkým účinným průřezem pro neutrony (Gd, Hf)
SYNROC se připravuje přepracováním oxidů Ti, Zr, Al, Ca a Ba do chemicky reaktivní formy. Tento "prekurzor" je smíchán s vysoce radioaktivním tekutým odpadem a pak konvertován na SYNROC. Původně okolo 57% Synrocu tvořil TiO2. Během této konverze vznikají nové minerály – TITANÁTY. Tyto titanáty mají stabilní krystalové mřížky, do kterých mohou vstupovat téměř všechny HLW prvky. Aktinidy jsou zabudovávány hlavně do zirconolitu a v menší míře do perovskitu. Perovskit také přijímá Sr a Ba, zatímco hollandit Cs, Ba, K a Rb. Synroc-C může pojmout až váh. 30% HLW.
Výroba SYNROCu
Srovnání SYNROCu a skla Dlouhodobá stabilita různých forem radioaktivního odpadu (borosilikátové sklo nebo keramika SYNROC) může být odvozena z analogie s chováním přírodních minerálů a z loužicích testů (SYNROC se podle loužicích testů rozpouští cca 1000x méně než borosilikátové sklo).
Středně a slabě aktivní odpad ¾ ¾
Materiály na bázi cementu, bitumeny, pryskyřice Krystalický gamma fosfát zirkonia, Zr(HPO4)2.2H2O, který se používá jako vysoce selektivní iontové síto pro odstranění 137Cs z havarijně kontaminovaných vod a z chladicí vody reaktoru. Oproti zeolitům, vermikulitu a montmorillonitu je velmi odolný vůči kyselinám, a je vysoce selektivní pro 137Cs i koncentracích na úrovni pg/ml.
Využití geologických procesů při zneškodňování odpadů
¾ Koncentrování - analogie s
ložiskotvornými procesy ¾ Rozklad, neutralizace ¾ Sorpční procesy ¾ Imobilizace in situ (zabudování do stabilních minerálů)
Využití geologických procesů při zneškodňování odpadů koncentrování Odstraňování fluoru z přirozených a odpadních vod: perkolací přes lože ze zrnitého sádrovce CaSO4.2H2O + 2F- Æ CaF2 + SO42- + 2H2O (max. dosažitelná úroveň F = 4 ppm, norma WHO pro pitnou vodu = 1,5 ppm) - nebo zeolity upravenými kyselými Ca-bohatými roztoky (lze dosáhnout úrovně 1 ppm F i méně) Odstraňování solí z důlních vod na ložisku Krivoj Rog (Ukrajina): 30 milionů m3 důlních vod se z dolu vyčerpá ročně; jejich salinita nyní až 3x převyšuje salinitu mořské vody. Tamější klima je vnitrozemské: chladné zimy, suchá horká léta. V zimě vymražování, v létě vysolování odparem.
Využití geologických procesů při zneškodňování odpadů - koncentrování Odstraňování fosforu a amoniaku z močůvky a kejdy řízenou tvorbou struvitu: (NH3)+ + MgO + H2PO4- + 5 H2O Æ (NH4)MgPO4 · 6H2O Přídavek MgO dodá potřebný hořčík a posune pH do alkalické oblasti, čímž se přemění H2PO4- a HPO42- na PO43-, což je forma potřebná pro dosažení přesycení fosfátem. Struvit byl produkován a testován v USA a Německu jako výborné pomalu působící hnojivo, jeho syntéza je však drahá (nutné suroviny kyselina fosforečná, amonné soli). Vyroben z kejdy či močůvky je cenově srovnatelný se superfosfátem, ale nemá jeho nevýhody (vysoké obsahy Cd )
Rozklad, neutralizace – analogie přírodního zvětrávání
Neutralizace kyselin olivínem nebo wollastonitem; Mg2xFe2-2xSiO4 + 2H2SO4 Æ2xMg2+ 2-2xFe2+ + 2SO42- + H2SiO4
