sou · GQB363 · 2003-01-01 00:00:00 — KASAM påpekade i detta sammanhang att den masspektrometer som använts i Studsvik är ett lågupplösande instrument och att nyare instrument med sektormagnet ger minst hundra gånger högre känslighet och minst 10 gånger lägre detektionsgränser. Det är bra att SKB nu planerar att köpa in ett sådant instrument. Programmet för den fortsatta forskningen handlar nästan en- bart om förbättrad apparatur och mätteknik. egentlig programredovisning, med målsättningar, uppgifter om delmål som har uppnåtts och strategin för att klara resterande målsättningar. Som berörts tidigare i avsnitten 4.2 och 4.3 har SKB gjort och kommer att fortsätta analyser av förloppen inne i en kapsel sedan en genomgående skada utvecklats i kapselväggen. Den korrosiva miljön omkring bränslestavarna kommer att förändras under olika skeden av vattenfyllnad och bränsle- stavarna kan förväntas vara i olika gott skick. Enligt KASAM:s bedömning behöver forskningsprogrammet om bränsleupplösning, som från början hade en allmänt orien- terande karaktär, fokuseras på de förhållanden som enligt gjorda analyser kommer att förekomma inne i kapseln. Upplösningsstu- dierna i oxiderande (luft), reducerande (vätgas) och syrefria (anoxiska, argon) förhållanden är av den arten, men programmet behöver anknytas till analyserna av kapselskador och motiven och målen för de olika programinslagen redovisas. KASAM anser att programmet är tillräckligt viktigt för att motivera en egen forskningsplan. Speciering (bildning av kemiska föreningar) och kolloidbildning av bränslets nedbrytningsprodukter är ett viktigt område efter- som det bland annat påverkar radionuklidernas rörlighet i förvaret och i den biologiska miljön. Plutoniumkemin är viktig i detta sammanhang och komplicerad och till stora delar okänd som funktion av de komponentrika miljöerna i förvar och geologi. KASAM anser att SKB bör ägna större omsorg både teoretiskt och praktiskt åt plutoniumkemin i samband med speciering och kolloidbildning för att rätt kunna bedöma transportprocesserna från bränslet. Bränslekapseln kan ses som den viktigaste barriären i slut- förvaret, eftersom den skall hindra det rörliga grundvattnet från att nå in till de radioaktiva ämnena i bränslet. Kapseln består av två delar – ett hölje av koppar och en insats av gjutjärn. Båda bidrar till att stänga ute vattnet. Kapseln skall utan tillsyn fungera som barriär under än vad som har krävts av någon industriellt tillverkad produkt. Det är därför viktigt att SKB kan visa, att den metod man väljer för tillverkningen av kapslarna resulterar i en mycket hög andel felfria kapslar. SKB måste också visa att till- verkningsmetoden inte medför några sådana förändringar i fram- för allt kopparns egenskaper som kan allvarligt begränsa kapselns livslängd som barriär. Den matematiska modelleringen av värmetransport har varit etablerad . När modelleringen görs med beräkningsprogram, som arbetar med den så kallade finita element metoden (se faktaruta), kan i princip resultat med hög precision uppnås. Likafullt är misslyckade värmetransportberäk- ningar legio, beroende på att man till exempel gjort ett olämpligt antagande om något gränsvillkor. De planerade försöken i Äspö- laboratoriet för att verifiera den beräknade maxtemperaturen hos kapseln är därför angelägna. Finita element metoden (tillämpningsexempel) Värmeflödet och därmed temperaturfördelningen i en stor bergvolym som omsluter en eller flera lokala värmekällor kan beräknas med hjälp av kända ekvationssamband mellan värmemängden som avges av värmekällan, bergets värmekapa- citet och värmeledningsförmåga och en känd eller förutsatt temperatur, ett så kallat gräns- eller randvillkor, längs voly- mens yttre begränsningsyta. Datorernas förmåga att hantera stora mängder beräkningsdata har medfört att beräkningen kan genomföras på så sätt att volymen delas upp i en stor mängd små volymelement, så kallade finita element, och temperaturen beräknas i punkt efter punkt i hela volymen. Denna metod ger en mer detaljerad och noggrann bestämning av temperaturfördelningen i bergvolymen än om beräkningen skulle göras för hela volymen i ett beräkningssteg. Efter rullformning alternativt extrusion (pressning genom mun- stycke), liksom efter svetsning uppstår restspänningar i mate- rialet. Eftersom höga restspänningar ökar risken för sprick- bildning och spänningskorrosion, speciellt i svetsförband, bör storleken på spänningarna mätas upp. Storleken får avgöra om avspänningsglödgning behöver tillgripas. Den exakta maximala nivån på de restspänningar, som kan tillåtas är inte känd och bör därför kartläggas. De bör dock definitivt vara mindre än hälften av sträckgränsen. Fortsatta studier av svetsförbandens förmåga att deformeras, krypa, utan att spricka erfordras för att ett tillräckligt dataunder- lag skall finnas, så att man kan visa att krypegenskaperna är tillfredsställande. Detta gäller både när elektronstrålesvetsning och friktionssvetsning använts. Krypduktiliteten (se faktaruta) bör inte understiga även efter lång tids provning. Krypduktilitet (några kommentarer) Vid de temperaturer på 75 som inledningsvis förväntas kring kapslarna sker en långsam deformation, krypning, i det kopparmaterial som planeras att användas. Kopparn kan ta upp en högsta töjning innan sprickbildning sker. Denna maximala deformation kallas krypduktiliteten och den får inte överskridas. Den troliga förklaringen till den goda inverkan av fosfor på kryphållfastheten hos renkoppar är att fosforatomerna växel- verkar på ett gynnsamt sätt med felställen (dislokationer) i materialet även om ingen ännu har lyckats visa det direkt. Det har visats experimentellt att svavel kan anrikas i korngränserna (se faktaruta). Att förhöjd svavelhalt och stor kornstorlek ökar risken för låg krypduktilitet är välkänt för många typer av material. Det leder till en försvagning av korngränserna och en ökad påkänning över dessa. Metalliska material är uppbyggda av små kristaller eller korn, där atomerna uppträder i regelbundna mönster. Kornen grän- sar mot varandra i korngränser. Kornens storlek (kornstor- leken) spelar stor roll för bland annat materialets mekaniska egenskaper. När det gäller fosfors inverkan på krypduktiliteten är den sty- rande mekanismen en öppen fråga. Ingående studier av de sty- rande mekanismerna är därför angelägna. För säker extrapolation av krypdata till långa tider måste mekanismerna vara kända. När krypdata finns tillgängliga för svetsförband bör detalje- rade beräkningar av plastisk deformation och krypning i kapseln genomföras med finita element metoden som komplettering till de beräkningar som gjorts för enbart grundmaterial. SKB skriver på sidan 86 i FUD-program 2001: Om det finns en genomgående skada i kopparhöljet kan vatten rinna in i gapet mellan kapselinsats och kopparhölje och vidare in i insatsen för att där leda till anaerob korrosion med vätgas och magnetit som korrosionsprodukter. KASAM konstaterar att detta bara är ett av flera möjliga korro- sionsförlopp. Kopparhöljet kommer under de första ett- eller tvåhundra åren att deformeras, pressas ihop, av svälltrycket i bentonitbufferten, tills det får stöd av gjutjärnsinsatsen. Korrosionen får ett annat förlopp när spalten krympt. Ut- vecklingen kommer då att bestämmas av korrosionsförloppen i kontaktområdet koppar–gjutjärn–vatten och gjutjärn–vatten. loppen med tillväxt av ett korrosionsskikt på gjutjärnsinsatsens yta, töjning av kopparn och sprickbildning behöver beskrivas. SKB har på sitt program att göra empiriska studier av korro- sionsförlopp i kontaktområdet koppar–gjutjärn–vatten och gjut- järn–vatten under realistiska betingelser och att med data från dessa göra nya beräkningar av utvecklingen i en skadad kapsel. KASAM noterar detta med tillfredsställelse. Omfattande laboratoriedata finns för både allmän och lokal korrosion. Dessutom har ett intensivt modellarbete bedrivits. Ett stort antal mekanismer kan tänkas vara aktiva och modeller- na är uppbyggda kring en serie antaganden. I vissa fall, till exempel för spänningskorrosion, har det inte alltid varit möjligt att i detalj styrka dessa antaganden. har mycket begränsade studier gjorts för svetsförband. Eftersom deras mikrostruktur skiljer sig från den för grund- materialet måste försök genomföras för svetsförband. Dessa för- sök bör innefatta svetsar av produktionstyp. Speciellt för spänningsinducerad korrosion och mikrobiellt indu- cerad korrosion på kopparkapseln erfordras fortsatta grund- läggande studier. Det är dessutom synnerligen angeläget att verifiera de hittillsvarande resultaten med långtidsförsök under så realistiska betingelser som möjligt. Detta bör kunna utföras vid Äspölaboratoriet och är delvis också redan planerat. SKB hänvisar till FUD-program 98 vad gäller konstruktionsför- utsättningarna för kapslarna. Där anges bland annat följande krav: Kapseln skall motstå alla kända korrosionspro- cesser så att den bedöms kunna förbli intakt i djupförvaret under minst 100 . Metoderna för tillverkning, förslutning och kontroll skall garantera att bara några få kapslar kan innehålla fel, som skulle kunna leda till att vatten tränger in tidigare än beräknat. Kravet på begränsning av initiala defekter i kopparkapslarna är enligt KASAM:s uppfattning alltför vagt formulerat. Det är viktigt att fördröja inläckage av vatten, men tidpunkten är inte det enda avgörande för konsekvenserna. SKB har av goda skäl inte utrett vilken storlek och form initiala defekter kan tillåtas ha utan att angivna dos- eller ut- släppsgränser överskrids. Detta går inte att fastställa eftersom det i ett flerbarriärsystem inte finns någon entydig relation mellan initiala defekter i kapslarna och stråldoser till en kritisk grupp. Detta framgår bland annat av figurerna 2 3, 2 4 och 2 5 på sidorna 37 till 39 i FUD-program 2001. Dessa visar resultatet av beräkningar, som gjorts med förutsättningen att det redan från början finns ett hål eller en springa genom kopparn med tvärsnittsarea. Den maximala årsdosen varierar med flera tiopotenser när upprepade beräkningar görs med olika data om bland annat grundvattenflödet, de kemiska processerna i berget och biosfärsförhållanden. Den skiljer sig därmed också avsevärt mellan de tre typområdena Aberg, Beberg och Ceberg. Acceptanskriteriet för initiala defekter bör utgå från kravet att bästa tillgängliga teknik tillsammans med krav utifrån en dos- /riskbegränsning skall användas för de tillverkade barriärerna i slutförvaret, såväl för tillverkningen som för kvalitetskontrollen. Kapslar som tillverkats inom det nu pågående utvecklingspro- grammet undersöks med tillgängliga metoder för oförstörande provning. Metodernas känslighet kontrolleras genom att partier av kapslarna, där defekter observerats eller misstänks kunna förekomma, friläggs för visuell inspektion (undersökning med mikroskop). Det kommer att finnas samband mellan en defekts form, stor- lek och detekterbarhet. Defekter över en viss storleksgräns upp- täcks med god tillförlitlighet, medan mindre defekter riskerar att förbises. Denna gränsstorlek kan användas som acceptanskrite- rium för initiala defekter, förutsatt att beräknade utsläpp från kapslar med initiala defekter av högst den storleken med be- tryggande marginal ligger inom föreskrivna gränser. Kravet på begränsning av initiala defekter i kopparkapslarna är enligt KASAM:s uppfattning alltför vagt formulerat. Acceptans- kriteriet för initiala defekter bör utgå från kravet att bästa tillgängliga teknik tillsammans med krav utifrån en dos-/risk- begränsning skall användas för de tillverkade barriärerna i slut- förvaret, såväl för tillverkningen som för kvalitetskontrollen. FUD-program 2001 omfattar bland annat frågor om utformning, tillverkning, förslutning och kvalitetssäkring av de kapslar som ska innesluta det använda kärnbränslet i djupförvaret. Frågor om inkapsling knyter an till frågorna om kapselns beständighet i föregående kapitel. I yttrandet över FUD-program 98 konstaterade KASAM att ur tillverknings- och hanteringssynpunkt är en kopparkapsel med godstjocklek klart att föredra framför en kapsel med godstjocklek. Detta gäller under förutsättning att inga nya resultat beträffande punktfrätning omöjliggör detta. godstjocklek underlättar möjligheten att uppnå den erforderliga fina kornstorleken, minskar risken för sprickor i svetsningen och ökar precisionen i den oförstörande provningen. Den mekaniska integriteten vid kapseltransporter måste givetvis verifieras. Kapselkonstruktionen har på ett bra sätt specificerats i en tidigare . Principerna för utformningen har en god bas. En fortsatt flexibilitet är dock angelägen med hänsyn till resultaten från det fortlöpande arbetet med kapseltillverkning och fogning. KASAM instämmer i att extrusion alternativt dornpressning är att föredra framför valsning och rullformning, vilken dessutom kräver längsgående svetsar. De förra processerna kan förväntas ge mindre kornstorlek och mindre restspänningar. Fortsatt arbe- te med att dokumentera finheten och långtidsstabiliteten hos mikrostrukturen för den valda tillverkningsmetoden är centralt. Eftersom tillfredsställande mekaniska egenskaper hos gjut- järnsinsatsen ännu inte uppnåtts måste val av segjärn och gjut- process noggrant analyseras. Som SKB påpekar måste håll- fasthetsegenskaperna hos gjutjärninsatsen förbättras genom en bättre kontrollerad gjutprocess eller användning av ett annat segjärn. Närvaron av defekter bör också karaktäriseras. För att uppnå ett tillfredsställande resultat vid gjutningen av gjutjärnsinsatsen bör simuleringsprogram för förloppet köras, så att man kan prova olika utformningar av insatsen. Vid förnyade tillverkningsförsök skall det visas att kraven i funktionsspecifika- tionen är väl uppfyllda. För fogningen av kopparkapseln återstår stora insatser. Eftersom kopparkapseln är kanske den allra viktigaste barriären i KBS-3- systemet är det helt avgörande att makrodefekter inte bildas vid svetsningen. Speciellt viktigt är det att undvika ytdefekter, som kan öka risken för till exempel spänningskorrosion. Av de två svetsmetoder som studeras verkar friktionssvets- ning mer lovande än elektronstrålesvetsning. Fortsatta under- sökningar bör genomföras med båda metoderna tills åtminstone en av dessa har visat sig ge helt tillfredsställande resultat. En ingående förståelse av de mekanismer som ger upphov till defek- ter måste byggas upp. En kvalitetssäkringsmetodik måste tas fram som på ett över- tygande sätt kan leda fram till att antalet makrodefekter blir ytterst litet. För fogningen av kopparkapseln återstår stora insatser. Fortsatta undersökningar bör genomföras med de båda metoderna frik- tionssvetsning och elektronstrålesvetsning tills en av metoderna har visat sig ge helt tillfredsställande resultat. En ingående förståelse av de mekanismer som ger upphov till defekter måste byggas upp. Ett batteri av provningstekniker – röntgen, ultraljud, virvel- ström, täthetskontroll etc. – erfordras för att verifiera att den färdiga kapseln är fri från makrodefekter och speciellt dem som är genomgående genom kapselväggen. Fortsatta omfattande studier inom detta område är centrala för att få ett detaljerat underlag beträffande fördelar och begränsningar för enskilda metoder. Bufferten kring kapslarna är en komponent med flera funktioner i flerbarriärsystemet. hålla kapseln på plats och leda bort restvärmen från bränslet, begränsa transporten av korroderande ämnen till koppar- kapseln från omgivningen och utläckande ämnen från kapseln, däribland kolloidala partiklar, samt kunna släppa ut gas som kan bildas i kapseln om vatten läcker in. För detta krävs att bufferten sväller så att den fyller det till- gängliga utrymmet när den mättas med grundvatten och att den sedan behåller sin täthet i fortsättningen. SKB har valt en lera med egenskapen att svälla när den mättas med vatten, natriumbentonit, MX-80 (se faktaruta), som refe- rensmaterial för bufferten. En viktig aspekt är vattenmättnaden som funktion av tid, temperatur och salthalt i grundvattnet. En annan är de kemiska förändringar av bentoniten som orsakas av att grundvattnet i förvaret har en annan kemisk sammansättning än grundvattnet på den plats där bentoniten bryts. Termen bentonit användes första gången av Knight (1898) för en särskilt högkolloidal plastisk lera som hittades i ett område i . Den har den unika egenskapen att svälla till sin ursprungliga volym när den placeras i vatten och att bilda tixotropa geler med vatten även vid ganska små substansmängder. Det har senare visats av (1917) att leran har formats in situ genom omvandling av vulkanisk aska. och (1926) har därefter be- kräftat detta och fastställt att sådana leror huvudsakligen består av montmorillonit och att de är allmänt högkolloidala och plastiska. – Termen bentonit används numera av många mineraloger och geologer och har inget samband med lerans fysikaliska egenskaper. (Närmare uppgifter om bentonitens roll som teknisk barriär vid slutförvar av använt kärnbränsle framgår av kapitel 5 i KASAM:s rapport på kärnavfallsområdet 2001, SOU 2001:35.) Leror innehåller lermineral, som består av så kallade skiktsili- kater med egenskaper som hög adsorptionsförmåga, hög ut- byteskapacitet av katjoner (joner med positiv laddning), högt motstånd mot diffusion, låg genomsläpplighet, stor specifik yta och goda svällningsegenskaper. Dessa egenskaper är viktiga för miljön i allmänhet och i materialtekniska sammanhang och de är direkt avgörande vid användning av leror som teknisk barriär. Lerornas specifika egenskaper är starkt beroende av deras mineralogiska sammansättning. Den mängd och typ av som de innehåller är väsentliga för att avgöra deras användbarhet som teknisk barriär. Viktiga och mätbara parametrar är kapacitet för utbyte av katjoner (), specifik yta, diffusionskoefficienter för olika typer av joner och hydraulisk konduktivitet. Dessa och andra krav på buffertmaterialet diskuteras i såväl FUD-program 98 som i FUD-program 2001. Bland de ytterligare kravparametrar som diskuteras är gasgenomsläpplighet, svälltryck, deformerbar- het, värmeledningsegenskaper och kemisk stabilitet. De lermineral som används mest i tekniska sammanhang är kaolinit, smektit, montmorillonit (av smektit-typ), vermikulit, illit och klorit (se faktaruta). Termen kaolinit står för en rad olika lermineral som inne- håller 1:1 skikt det vill säga ett tetraedriskt silikatskikt och ett oktaedriskt aluminiumoxidskikt. Dessa lermineral har mycket stor industriell användning som komponent i färger, papper, plaster, gummi etc. Montmorilloniter består av enheter som innehåller två teraedriska silikatskikt och ett oktaedriskt aluminiumskikt det vill säga av typ 2:1. En del kisel i de tetraedriska skikten är utbytta mot aluminium vilket ger hela strukturen en negativ nettoladdning, som kompenseras av katjoner mellan skikten. Om dessa joner utgörs av Na+ eller Ca2+ är de möjliga att laka ut och vattenmolekyler kan tränga in mellan lerskikten och orsaka svällning. Kaliumjoner som finns mellan skikten är däremot mycket svåra att laka ut och ger då leran icke-svällande egenskaper som till exempel i illit. Kloriter påminner också om montmorilloniter det vill säga är 2:1 , men har en något annorlunda strukturell upp- byggnad. Om katjonerna mellan skikten utgörs av Mg2+ (magne- siumjoner) kan dessa lakas ut och ger en svällande lera, som kallas vermikulit. Den kanske mest uppenbara egenskapen hos leror är deras volymförändring vid tillsats av vatten eller andra polära lösnings- medel. Av de ovan nämnda lermineralen räknas smektit och vermikulit som svällande och de övriga som icke-svällande. Sväll- barheten är starkt kopplad till katjonbyteskapaciteten () samt täthet och fördelning av ytladdningar. En annan viktig faktor är typen av katjoner som finns mellan skikten. När det gäller de svällande lermineralen finns både en yttre och en inre yta beroende på att ytorna mellan skikten kan tas i anspråk. Detta blir tydligt vid en jämförelse mellan exempelvis montmorillonit (av smektit-typ) och de icke svällande lermine- ralen. Den specifika ytan mätt i m2 per gram är till exempel 600 800 för montmorillonit av smektit-typ men mindre än 100 för illit. Utbyteskapaciteten för katjoner mätt i milliekvivalenter per står i relation till den specifika ytan. Den är 80 150 för montmorillonit och 10 40 för illit. Det är därför av många skäl viktigt att använda svällande lermineral i bufferten. På sidan 96 i FUD-program 2001 antyds att SKB planerar studier av alternativa buffertmineral. Även om det inte är realistiskt att studera alternativa material i samma omfattning som MX-80 är det mycket värdefullt att bättre beskriva betydelsen av olika parametrar och därigenom åstadkomma en grundläggande kravspecifikation för buffert- materialet. KASAM ser positivt på SKB:s planer att genomföra studier av alternativa buffertmineral för att få en referens till bentonit med hög halt av montmorillonit. Den kemiska stabiliteten under de förhållanden som förväntas i förvaret är en mycket viktig faktor när det gäller att bedöma den långsiktiga utvecklingen. På sidan 100 i FUD-program 2001 finns ett kort avsnitt om föroreningshalter. Osäkerheterna i föroreningshalter förväntas vara små och utan betydelse för buffertens funktion. I KASAM:s rapport på kärnavfallsområdet 2001 finns en redogörelse för hur typiska föroreningar i bentonit kan förväntas reagera i förvaret (kapitel 5). En kombination av små mängder av pyrit (FeS2) och kalcit (CaCO3), som är vanligt förekommande, kan ha en i stort sett gynnsam inverkan genom att reducera syrgas och buffra pH-värdet i bentoniten. Det finns därigenom anledning att inte bara fastställa allmänna gränsvärden för föroreningar utan att också undersöka hur kom- binationer av föroreningar kan påverka den långsiktiga stabilite- ten både positivt och negativt. Omvandlingen från natriumbentonit till kalciumbentonit får närmast betraktas som oundviklig i kontakt med grundvattnet och det är därigenom angeläget att kalciumbentonitens egen- skaper med avseende på viktiga kvalitetsparametrar också är väl kända och förutsägbara. Omvandlingen av montmorillonit till illit (se faktaruta i av- snitt 7.2), den så kallade illitiseringen är ytterligare ett hot mot den långsiktiga stabiliteten. De reaktioner som påverkar illitise- ringen har studerats ingående. De huvudfaktorer som kontrolle- rar processen är temperaturen och tillgången på kaliumjoner. Andra viktiga faktorer är tid, vatteninnehåll, flöde och tryck. Illitisering kan ske vid temperaturer över och meka- nismer som innebär omvandling av skikt efter skikt i fast fas och/eller upplösning/återutfällning av kisel-aluminiumför- eningar har diskuterats. Den senare mekanismen kan också orsaka så kallad cementering i buffertmaterialet. Omfattningen av denna process liksom sammansättningen av de återutfällda kisel-aluminiumföreningarna kommer att vara mycket beroende av om det föreligger sura eller basiska förhållanden i bentoniten. Dessutom kommer, åtminstone under de första hundra åren, en avsevärd termisk gradient att existera i bufferten vilket påverkar dessa reaktioner. Det vore därför mycket värdefullt om SKB i samband med sina studier av andra sammansättningar av buffertmaterialet också undersökte hur en begränsad illitisering respektive cemen- tering påverkar för bufferten viktiga parametrar. Aluminium liksom järn fälls ut som mycket svårlösliga oxider eller oxidhydroxider vid neutrala pH-värden medan andra katjoner och kiselsyra, Si(OH)4, är ganska lättlösliga. Dessa kan sedan transporteras ganska långt från vittringszonen. Kiselsyra, som har lägre löslighet vid högre temperaturer, kan dessutom fällas ut i den varmaste delen av bufferten, det vill säga nära kapselytan. Kvoten Si/Al kan därför sjunka från 2:1 som i mont- morillonit till närmare 1:1 som i kaolinit. Det föreligger en osäkerhet kring frigörelse, transport och utfällning av löst kisel och andra ämnen i bufferten, vilket pekar på behov av fortsatta studier inom området.