sou · H0B37 · 2012-02-29 00:00:00 — Kopparkapseln är den viktigaste barriären i KBS-3 systemet eftersom den innesluter det använda kärnbränslet och förhindrar spridning av radionuklider till omgivningen. Kapselns uppgift är också att dämpa joniserande strålning och förhindra fortsatt uranklyvning (kriticitet). Därför måste den tillverkas och förslutas med hög tillförlitlighet. SKB har valt referensmetoder för tillverkning av kapselns komponenter samt för svetsning och förslutning. Kopparröret har en tjocklek och tillverkas genom så kallad extrusion (metallen pressas genom en profilformande öppning). Kopparlock och kopparbottnar smids, och den lastbärande insatsen av järn gjuts. Svetsning av kopparbotten och förslutningen utförs med friktionssvetsning (Friction Stir Welding, FSW). Kapselns barriärfunktion i förvaret beror på förmågan hos metallisk koppar att motstå korrosion och ge kapseln en hög hållfasthet. Kapseln ska motstå en isostatisk belastning på 45 MPa, vilket motsvarar ungefär 450 gånger normalt lufttryck. Påfrestningen i det här fallet är summan av svälltrycket i bufferten, grundvattentryck och hydrostatiskt tryck under en glaciation. har i tidigare rapporter och yttranden gett synpunkter på tillverkningsprocesser, kriterier för materialstruktur, materialegenskaper och defekter i såväl kopparhöljet som insatsen av gjutjärn och de underliggande kraven för oförstörande provning (1), (7). För detaljer om acceptanskriterier och kontroll av kopparhöljet och insatsen hänvisas till referenserna ovan. Faktum är att alla krav som måste ställas på tillverkning, provning och kontroll av kapselns komponenter, liksom av hela systemet, ännu inte är helt klara. SKB har fortsatt att utveckla konstruktionsförutsättningarna för kapseln och en sammanställning av kapselns hållfasthet och skadetålighet (designanalys) har presenterats (8). Acceptanskriterier för systemet och driften är ännu inte fastställda och arbetet med att specificera dessa kriterier pågår. Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle Krypegenskaper (långsam plastisk deformering) hos kopparkapseln kan inte fastställas utifrån de resultat man fått vid kryptestning av ett homogent grundmaterial av koppar, utan även krypegenskaper hos en heterogen mikrostruktur av friktionssvetsen behövs för modellering och analys. Kryptöjning i svetsen är en komplicerad process, på grund av exempelvis varierande mikrostruktur, restspänningar och kallbearbetningsgrad samt den mycket långa tidsperioden. Studierna av krypning i svetsar är ännu för få, och i fortsättningen måste krypegenskaper hos friktionssvetsar och geometriska diskontinuiteter som visar de största töjningarna i designanalys (8) studeras mycket mera ingående. De viktiga krypegenskaperna hos koppar har undersökts men en validerad krypmodell fattas . Kopparkorrosion har diskuterats mycket . har i tidigare kunskapslägesrapporter (9), (10) beskrivit de meningsmotsättningar som finns, och har i ett särskilt yttrande till miljöministern gett sin syn på frågan (11). Den viktigaste diskussionen gäller möjlig kopparkorrosion i den miljö som långsiktigt dominerar i förvaret det vill säga när syrgasen har förbrukats. Kopparkorrosion i den miljön resulterar alltid i vätgasutveckling och vätgastrycket blir därför en avgörande parameter för förloppet. När trycket uppnår en viss nivå upphör korrosionen och frågan gäller vid vilket vätgastryck detta sker och om det kritiska trycket långsiktigt kan upprätthållas nära kapseln. samlade bedömning av dagens kunskapsläge innebär att kopparkapselns integritet kan bevaras , så länge buffertens barriärfunktion upprätthålls och en kontinuerlig transport av korrosiva joner från grundvatten till kapseln kan förhindras. Kopparkapseln har dock en så avgörande betydelse för förvarets långsiktiga säkerhet att inga tvivel får finnas. ställer sig därför mycket positiv till den fortsatta forskning om kopparkorrosion som finansieras av SKB och SSM och utförs vid oberoende universitet och forskningsinstitut. Kopparkapslarna ska alltså innesluta det använda bränslet från kärnreaktorerna och därefter deponeras i slutförvaret, när de uppfyller de acceptanskriterier som är ställda för tillverkning och provning. När kapslarna har placerats i deponeringshålen och är omgivna av Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle de kompakterade bentonitblocken, skulle detta teoretiskt motsvara initialtillståndet, men i realiteten är detta inte fullt så enkelt. Kopparkapslarna har en relativt hög temperatur (cirka 100 C) och de har transporterats från inkapslingsanläggningen i till det planerade förvaret i Forsmark under mer eller mindre fritt lufttillträde. Resultatet är att ytorna kommer att ha en beläggning av kemiska produkter som har bildats efter reaktioner med syrgasmolekyler och koldioxid i luften. Kopparkapslarna med dessa korrosionsprodukter, till exempel kopparoxider och kopparkarbonat (Cu2O, CuO och Cu2(OH)2CO3) på ytorna, kommer alltså att deponeras i förvaret i detta skick och utgör därigenom det reella initialtillståndet. Detta tillstånd utgör också en startpunkt för en rad önskade och oönskade processer på kapseln och i omgivande buffert innan förhållandena har stabiliserats, och de i bästa fall kommer att motsvara ett idealtillstånd som sedan ska bestå under resten av förvarstiden. Denna del av kunskapslägesrapporten syftar till att beskriva och problematisera några av de processer som leder till att de olika komponenterna i förvaret övergår från ett initialtillstånd till ett idealtillstånd. När kapslarna med beläggning av kopparoxider kommer i kontakt med den fuktiga bentoniten kommer kopparoxiderna att hydratiseras (reagera med vattnet) så att olika former av kopparhydroxider bildas på ytan. (2Cu2O + H2O 2CuOH och CuO + H2O Cu(OH)2 där betecknar kapselytan). Liknande reaktioner finns tidigare publicerade (12) och man kan förvänta sig att speciationen (sammansättningen) på kapselytorna kommer att bestå under en mycket , det vill säga även efter det att fritt syre i bufferten har förbrukats. Beläggningen av kopparoxid/hydroxid på ytan kommer troligen att innebära ett visst skydd av kapseln från vidare oxidation, eftersom tillgången på syrgas är begränsad i bufferten. När miljön blir reducerande (syret har förbrukats) och grundvatten som innehåller sulfidjoner (HS-) eventuellt når kapseln sker en omvandling av ytbeläggningen från kopparoxider till kopparsulfid (Cu2S). Ytan med kopparsulfid kommer sedan troligen också att hydratiseras (reagera med grundvattnet) så att ett eller flera lager med reaktionsprodukter (CuSH + CuOH) uppstår. Kapselns yta, som således är både oxiderad och hydratiserad, kan beskrivas som en parameter i etableringen av kopparkapselns idealtillstånd. Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle Fortsatt kontakt med grundvatten som eventuellt transporterats genom bentonitbufferten, kan leda till att kopparkapslarna kan adsorbera eventuella vätesulfidjoner (HS) från grundvattnet, i likhet med tidigare publicerade resultat för blysulfid och zinksulfid (PbS och ZnS) (13). Dessa reaktioner på kopparkapseln gäller endast under syrefria förhållanden eftersom en oxiderande miljö leder till att sulfidjoner i lösning och på ytan oxideras. En långvarig kontakt med grundvatten innehållande vätesulfid, HS-, kommer att innebära att kopparkapseln kan korrodera (genom reaktionen Cu + 2HS- CuS2 + H2) och kapseln måste därför skyddas av bufferten. Den långsiktiga säkerheten är i detta fall beroende av om vätgastrycket kan hållas på en tillräckligt hög nivå för att reaktionen ska minska och avstanna. Kloridjoner i grundvattnet förväntas inte bli ett reellt hot för korrosion genom att kopparklorid, CuCl, inte bildas i några större mängder om pH-värdet är högre än 4. Idealtillståndet i deponeringshålet kännetecknas också av att bentonitbufferten är vattenmättad och att syrgasen i luft och vatten är förbrukad. Dessa processer beskrivs mer ingående i nästa avsnitt. Tiden mellan initialtillstånd och idealtillstånd kan påverka kopparkapseln negativt om sorption av vatten i bufferten sker punktvis och väldigt ojämnt. Då blir trycket från svällningen av bufferten mot olika delar av kapseln varierande, vilket i sin tur kan initiera icke önskvärda processer på ytan (till exempel spänningskorrosion) innan tryckskillnaderna har utjämnats. Den relativt varma kapseln (alltså cirka 100 C) gör att vattnets ångtryck i den fuktiga bentoniten blir högt (även om vattnet inte kokar) innan bufferten vattenmättats, vilket påverkar vattentransporten ut från kapseln och gör gradienten av fukt i bufferten ännu mer påtaglig. Innan bufferten i form av kompakterade block och pellets sätts ner i deponeringshålen har den naturliga bentoniten genomgått en rad processer (bland annat malning som ska ge en homogen mineralblandning) som mineralytorna aktiveras innan bentoniten kompakteras till block och pellets. Före kompakteringen tillförs vatten, så att vattenhalten ökar från till . Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle Kompakteringen, som innebär att bentoniten pressas ihop under högt tryck och densiteten ökar, betyder också att portioner av luft (O2(g)) innesluts i blocken. Även det vatten som tillförs innehåller löst syrgas, O2(aq), teoretiskt ungefär /dm3. Eftersom block och pellets efter kompaktering sätts ner i deponeringshålen utgör detta bentonitbuffertens initialtillstånd. Kompakteringen gör att hålrum och porer i bentoniten kommer att komprimeras, framför allt de som innehåller luftsyre, och det interna trycket i porerna ökar radikalt. Det finns olika uppgifter i litteraturen om hur stor totalvolym som dessa interpartikulära porer upptar, och hur dessa kommer att bete sig under bentonitens sorption av grundvatten och vattenmättnad. I en nyligen publicerad doktorsavhandling (14) föreslås att denna porvolym är för en bentonitdensitet som är lika stor eller större än /dm3. Det är en betydligt lägre siffra än den som tidigare publicerats (15) och det är viktigt med en realistisk uppskattning av porvolymen för att kunna bedöma möjliga transportvägar för joner och kolloider genom bufferten. Efter kompakteringen kommer det molekylära syret att förbrukas genom bakteriell aktivitet och reaktioner med föroreningar i bentoniten, medan oxidation av ytan på kopparkapseln knappast konsumerar avsevärt mer syre, eftersom den redan är oxiderad i sitt initialtillstånd. Hur fort det molekylära syret förbrukas är nu en aktuell och intressant fråga i sammanhanget. Nya (opublicerade) resultat från POSIVA tyder på att detta skulle ske så snabbt som , medan tidigare resultat (15) från SKB visar på en betydligt – tiotals till 100-tals år. En förklaring till de skilda resultaten skulle kunna vara att man mäter delvis olika saker. De syremolekyler som finns i den inneslutna luften under högt tryck kan troligen förbrukas relativt snabbt, medan förbrukningen av syret i porvatten (interpartikulärt) och laminärt vatten i montmorilloniten tar betydligt . Det är känt från forskningen inom miljöområdet att transporthastigheten av syre i markporer är 6 000–10 000 gånger högre än i vatten. Redox-potentialen, som beskriver hur reducerande miljön har blivit, kommer att få olika nivåer beroende på mängden av olika former av syre. Det är endast när all syrgas förbrukats, det vill säga även det som finns löst i vattnet, som bufferten har nått sitt idealtillstånd med avseende på syrenivån i bufferten. Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle När bufferten kommer i kontakt med grundvatten i omgivande berg kommer den teoretiskt att suga in (sorbera) vatten, vilket innebär att bufferten sväller och fyller upp utrymmet i deponeringshålet, varvid densiteten ökar till /dm3. Detta tar mer eller mindre beroende på hur torrt omgivande berg är, och processen sker som tidigare beskrivits under förhållanden som bestäms av stora temperaturgradienter, upplösning och transport av föroreningar i bentoniten, förbrukning av löst syrgas genom oxidation av sulfider och organiska föreningar, samt bakteriell verksamhet med mera. Man kan fråga sig varför buffertens densitet ökar (från /dm3 till /dm3) när den sorberar mer vatten, eftersom vatten har densiteten /dm3, det vill säga betydligt lägre än det fasta materialet – till exempel montmorilloniten med densiteten /dm3. Den enda rimliga orsaken är att grundvattnet absorberas mellan skikten i bentoniten, det vill säga laminärt, att porvolymen mellan mineralpartiklarna minskar och att den inneslutna luften trängs ut. På detta vis ökar densiteten, men det betyder också att den ursprungliga porvolymen efter kompaktering av bufferten inte kan vara alltför liten. Det måste alltså finnas tillräckligt stor innesluten luftvolym för att densiteten ska kunna öka när bufferten vattenmättas. Nedanstående figur 3.1 åskådliggör ett exempel på hur den kvantitativa balansen kan se ut med avseende på fördelning av luft och vatten i olika typer av porer i MX 80 bentonit (natriumbentonit) som gradvis vattenmättas (16). Det är uppenbart att mängden vatten mellan de laminära skikten i montmorilloniten ökar, medan mängden av mesoporer (storlek 2– ) med luft minskar. (motsvarar 1 miljondels millimeter). Figuren illustrerar vad som händer om bentoniten får svälla fritt, men om svällningen sker under förhållanden med begränsad volym (som i deponeringshålen) blir skillnaderna mellan olika typer av porer ännu mer accentuerade. Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle Motsvarande studie av porfördelningen i kompakterad MX-80 bentonit, som mer liknar förhållanden i slutförvaret, visar på en större andel makroporer (storlek större än ) mellan ansamlingar av partiklar, på bekostnad av mesoporer som förekommer mellan partiklar i figuren ovan (se även figur 3.2 nedan). När den relativa vattenmättnaden överstiger växer storleken på aggregaten av svällande , vilket leder till att nätverken av makroporer delvis försluts utan att kollapsa helt (16). Bentonitens svällning vid vattenabsorption tycks påverka mesoporer mellan partiklarna i mycket hög grad innan makroporerna försluts. Makroporerna bevaras alltså längre. Kvantifiering av makroporer med hjälp av mikroskop (till exempel med synkrotonstrålning) är svår att göra, eftersom kontrasten mellan porer och omgivande aggregat är svag. Vattnet i högkompakterad montmorillonit är nästan uteslutande lokaliserat mellan skikten eller nära ytan, och det blir därigenom uppenbart att vattentransporten genom bufferten kommer att vara starkt begrän- Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle sad vinkelrätt mot skikten. Denna situation kan betraktas som buffertens idealtillstånd. Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle Figuren åskådliggör att när bentoniten sväller och när den har densiteten /dm3 minskar mängden vatten i interpartikulära porer (det vill säga mellan partiklarna) från till . I stället ökar mängden vatten mellan skikten i montmorilloniten det vill säga det som i figuren kallas laminärt vatten (17). Perioden mellan installation och vattenmättnad av bufferten omfattar en rad olika problem som härrör från sprickbildningar med tillhörande vattenflöden från väggar och golv i deponeringshålen. Bentoniten i buffertblocken och grundvattnet som ska vattenmätta bentoniten är dessutom inte ren, utan innehåller en rad föroreningar som påverkar miljön i bufferten på olika sätt. Vissa i bentoniten, till exempel pyrit (FeS2) och siderit (FeCO3), förbrukar syre, medan andra , till exempel kalcit (CaCO3) och gips (CaSO4), har förhållandevis stor löslighet och kan transporteras med vattnet som rör sig mot kopparkapseln för att därefter återbildas. Transporten ut från kapseln av uppvärmt vatten kommer delvis att ske i form av vattenånga, vilket medför andra transportvägar. Konsekvenserna av dessa processer har beskrivits i tidigare rapporter från (9), (10) och ska inte upprepas här. Grundvattnet innehåller också en hel del joner som påverkar miljön i bufferten och som måste hindras från att komma i kontakt med kapseln i alltför hög grad. De viktigaste är sulfider (till exempel HS-) och andra så kallade svavelanjoner (till exempel HSO4-), klorider (Cl-), karbonatjoner (till exempel HCO3-) samt natrium- (Na+) och kalciumjoner (Ca2+). Sulfidjonerna konsumerar syre och under reducerande förhållanden kan de orsaka korrosion på kopparkapseln. Sulfatjoner är föda för vissa typer av bakterier och då produceras mer sulfidjoner som är skadliga för kopparkapseln. Innan bufferten har mättats helt av grundvatten har alltså en mängd processer skett som har påverkat tillståndet i deponeringshålet. Detta tillstånd hos bufferten är den startpunkt som gäller för förvarets långsiktiga utveckling. Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle I SKB:s Fud-program 2010 fastslås att de viktigaste funktionerna hos återfyllningen är att göra masstransportförmågan jämförbar med det omgivande bergets samt minimera buffertens expansion uppåt. Detta tillstånd måste i huvudsak betraktas som återfyllningens idealtillstånd och motsvaras inte av återfyllningens egenskaper efter förslutningen, som enligt gällande definition kan betecknas som återfyllningens initialtillstånd. Det finns en rad skillnader när det gäller förhållanden i deponeringstunnlarna (där återfyllningen placeras) och i deponeringshålen där buffert och kapsel lokaliseras. Deponeringshålen är borrade, vilket betyder att de får relativt släta väggar. De är dessutom individuellt besiktigade och godkända med avseende på sprickor med inflödande vatten innan bufferten inplaceras. Det går inte att ställa samma höga krav på deponeringstunnlarna, utan här får man acceptera vad man får. Tunnlarna är dessutom sprängda i stället för borrade vilket innebär att väggar och tak är betydligt mindre jämna och risken för bergutfall är större. Man kan alltså förvänta sig att det kommer att finnas vattenförande sprickor i tak och väggar, som på ett eller annat sätt måste tätas eller minimeras (exempelvis med silica sol) för att inte återfyllningen i form av block och pellets ska erodera och spolas bort. I själva verket behöver vattenflödet hållas på en mycket låg nivå (18) för att inte åstadkomma skador på återfyllningen genom erosion, innan block och pellets har vattenmättats. Alla delprocesser som gäller vattenmättnad av bufferten, och som behandlas ovan, gäller även för återfyllningen – med undantag för att den temperaturgradient från kapseln till berget som finns i deponeringshålen inte existerar och inverkar på samma sätt. En komplikation i samband med återfyllningen är dock svårigheten att upprätthålla densiteten när bentoniten sväller. Deponeringstunnlarna är ju relativt stora och erbjuder inte samma begränsningar i volym som i deponeringshålen. Det betyder att vattenabsorption i bentoniten gör att denna sväller mer fritt, vilket kan leda till att konsistensen blir alltför mjuk. Detta ökar risken för erosion, och ger inte lika låga värden på diffusion av vatten och eventuella radionuklider från en skadad kapsel. Konceptet för återfyllningen innebär att kompakterade bentonitblock ska staplas på varandra, till en mängd som kommer att motsvara av volymen, och att bentonitpellets ska Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle fylla ut hålrummen närmast väggar och tak (som alltså motsvarar av volymen). Kraven på bentoniten i återfyllningen är lägre än motsvarande krav på bufferten med avseende på innehåll av svällande , montmorillonit. Den stora andelen av pellets i återfyllningen innebär att processen för vattenmättnad i återfyllningen innehåller betydligt fler osäkerhetsfaktorer än för bufferten i deponeringshålen. Installationen av barriärer och den följande vattenmättnaden i deponeringshål och transporttunnlar kan indelas i tre olika perioder: installation, tillflöde av vatten och vattenmättnad (19). Den första perioden innehåller arbetet med att fylla tunneln med block och pellets, samt montera pluggar för att begränsa volymen och minska vattenflödet. Den andra perioden omfattar vattentillflödet till deponeringshål och tunnel till dess att installationen av bentonitpellets är vattenfylld. Den tredje perioden refererar till vattentransport till bentonitblock i deponeringshål och tunnlar, fram till dess att dessa har blivit helt vattenmättade. Om återfyllningens initialtillstånd motsvarar tillståndet vid förslutning och idealtillståndet motsvaras av de krav som SKB har uppställt, finns många frågetecken och därmed också många forskningsfrågor kvar kring de processer som leder från det ena tillståndet till det andra. Alla barriärer i slutförvaret (kopparkapsel, bentonitbuffert, återfyllning) kännetecknas av både ett initialtillstånd och ett idealtillstånd. Övergången från det ena tillståndet till det andra beror av en rad processer som börjar vid deponeringen och avslutas under olika tidsperioder efter förslutningen. För kopparkapseln gäller att ytan, som är uppvärmd, reagerar med luft och vatten innan den omgivande bufferten har vattenmättats och därefter med olika komponenter i grundvattnet. Idealtillståndet innebär att bufferten är fri från syre och utövar ett jämt tryck över hela kapseln. Bufferten innehåller vid deponeringen olika former av molekylärt syre (O2) i luft och vatten och är inte fullständigt vattenmättad. Idealtillståndet innebär att bufferten är homogen och har vattenmättats med en densitet inom intervallet 1,95–2,/dm3. Bufferten är tät och transport av gaser, vatten och olika former av Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle joner kan endast ske genom diffusion. Halten molekylärt syre är på en försumbar nivå. Återfyllningens initialtillstånd är långt ifrån det idealtillstånd man eftersträvar. Idealtillståndet innebär att masstransportförmågan är jämförbar med det omgivande bergets och att den mekaniska stabiliteten är stor nog att motverka buffertens expansion uppåt i deponeringshålen. Förhållandena i deponeringstunnlar och schakt är av naturliga orsaker mycket sämre definierade än i deponeringshålen och det blir en stor utmaning att uppfylla de långsiktiga kraven på återfyllningen. 1.SOU 2007:38, Tid för slutförvaring av kärnavfall – samhälle, teknik och natur. Rapport 2007:3 från för kärnavfallsfrågor (KASAM). En fördjupning till KASAM:s rapport om kunskapsläget på kärnavfallsområdet 2007. 2.SKB TR-08-05, Site description of Forsmark at completion of the site investigation phase 3 SKB:s Fud-program 2010. Kap. 11.1 Teknikutveckling kapsel – Krav och förutsättningar Kap. 23 Initialtillstånd 4.SKB:s Fud-program 2010. Buffert och återfyllning 24.1 Initialtillstånd. 5.SKB TR 10-15, Design, production and initial state of the buffer 6.SKB:s Fud-program 2010. 7.SOU 2011:50, yttrande över SKB:s Fudprogram 2010 8.SKB TR 10-28, Design analysis report for the canister 9.SOU 2010:6, Kunskapsläget på kärnavfallsområdet 2010 – utmaningar för slutförvarsprogrammet. 10.Kunskapsläget på kärnavfallsområdet 2011 – geologin, barriärerna, alternativen (SOU 2011:14) 11.Utlåtande från om kopparkorrosion 2011- 32/2011. 12.Yeung, H. et al., (1999), Oxide Film Adsorption on Copper in Aqueous Media as Probed by Surface-Enhanced , J. Phys. B, 1999, 103(2) pp 357-365. Från initialtillstånd till idealtillstånd i slutförvaret för använt kärnbränsle 13.Rönngren L., et al. (1994), Surface Reactions in Aqueous The Complexation of Sulfide Ions at the ZnS-H2O and PbS-H2O interfaces. Science, 162 (1), pp 227-235). 14.Holmboe, M., (2011), The Bentonite Barrier: Microstructural properties and the influence of γ-radiation, KTH 2011. 15.SKB TR-01-05, The project; O2 depletion in granitic media, Puigdomenech I. et al. 16.Pret, D., Ferrage, E. et al., (2011) « X-ray Tomography and