sou · H3B311 · 2015-02-23 00:00:00 — Demonstrationerna omfattar en kombination av övervakningsteknologier, som testas i en rad berggrunder med utnyttjande av redan existerande infrastrukturer i TEM och ZigBee i Grimsel, , Praclay i , eller en modellförvaring i , . Huvuddelen av experimenten görs i modeller av förvarsceller för att testa effektiviteten och bestämma begränsningar av olika övervakningssystem. Tillsammans behandlar de fem delprojekten tre viktiga och specifika problem för mätningar i förslutna utrymmen 7“The overall aim of Monitoring Demonstration Programme is to progress, through further development, demonstration and analysis, the capability to provide an effective range of reliable and validated monitoring systems to monitor the changes occurring, particularly in those phases following isolation of the radioactive waste and the evolution of the engineered barrier system.” (MoDeRn, Deliverable 3.1.1, s. 8). 8Referenser till de rapporterna från de fem delprojekten finns i referenslistan under rubriken ”MoDeRn”. Mätprogram för förslutna områden med deponerat kärnavfall: icke-störande (non-intrusive) mätningar, dataöverföring och elförsörjning. Mätutrustning måste uppfylla många andra krav, som exempelvis tillförlitlighet och robusthet, men dessa krav är inte specifika för tillämpningen i förvaret. För ställs som explicit krav att övervakningssystemet för stålinsatsen ska tåla procedurerna under konstruktionen. I delprojekten undersöks två mättekniker som antas ge försumbara eller små störningar i de tekniska barriärerna. I delprojekten 1 och 3 utvecklas seismisk teknik för att kunna följa utvecklingen i betonitbuffert respektive närzonen strax utanför tunneln och i delprojekten 3 och 5 användes optiska fibrer för att mäta temperaturfördelning och deformationer. Projektet i Grimsel, är av speciellt intresse eftersom målet är att med hjälp av seismisk teknik kunna följa vattenmättnad i en bentonitbarriär. Utvecklingen påbörjades under ett tidigare EU program (ESDRED, 2004–2008) och har resulterat i två doktorsarbeten vid , (ETHZ). Bentonitens vattenmättnad och tryck påverkar elasticiteten och laboratorieexperiment visar att seismiska data på ett mycket tydligt sätt beror av vatteninnehåll och tryck. Resultaten visar på möjligheterna att utveckla teknik för att mäta utvecklingen i bufferten utan att störa denna tekniska barriär. Det krävs emellertid vidare utveckling för att tekniken ska bli operativ, bl.a. av mikrofoner och datoralgoritmer för tomografi. Med nuvarande teknik måste givare och mikrofoner läggas i borrhål nära deponeringstunnlar och deponeringshål, vilket kan störa den nära zonen. Mätprogram för förslutna områden Mätprogram för förslutna områden I , delprojekt 5, har en övergripande strategi för övervakning utvecklats inbegripet fördelning och design av mätande enheter, forskning och utveckling för att anpassa och färdigställa mätanordningar samt specifika tester och storskaliga experiment i laboratorier under jord. Programmet omfattar mätningar av portryck, temperatur och förskjutningar i närheten av avfallet för att bestämma påverkan av hydromekaniskt tryck samt hur vattenhalt och temperatur påverkar förhållandena. Yttre och inre optiska fibrer installerades för att övervaka termomekaniska processer och troliga bergutfall. Påverkan på inneslutningen av tryck från vatten och omgivande berg ska utvärderas liksom påverkan av utgrävningarna. Utvecklingen har gett viktiga insikter men slutgiltiga slutsatser om operativ användning kan ännu inte dras. Utveckling av teknik för trådlös överföring av data Trådlös dataöverföring studeras i delprojekten 2 och 4. Tillsammans täcker dessa två experiment dataöverföring i två steg från en pluggad deponeringstunnel till markytan. I underjordslaboratoriet i Grimsel, testas överföring med högfrekventa radiovågor från ett bentonitlager genom en cementplugg och i HADES-laboratoriet i testas överföring med lågfrekventa magnetvågor till jordytan genom ett lerlager med hög elektrisk konduktivitet (0,1–0,02 S/m). I Grimsel-experimentet utgörs givarna av integrerade noder med dimensionerna 190 x ø75 mm. Noderna har sensorer för tryck och relativ fuktighet, sändare, antenn och ett litiumbatteri för strömförsörjning. I HADES-experi- mentet ligger fokus på överföringskapacitet och utformning av sändar- och mottagarantenner. Med den aktuella utrustningen var energiåtgången 1 Ws/bit. Resultaten från de två projekten visar att dataöverföring från förvar till jordytan i princip är möjlig, men att tekniken är långt ifrån operativ. I delprojekt 2 är sensorer och sändare integrerade i en nod, men dessa har varit endast ytligt inbäddade i bentonitlagret. En fråga är om signalstyrkan i denna lösning är tillräcklig för att föra över data från en pluggad deponeringstunnel. I delprojekt 4 gjordes ingen uppkoppling mot sensorer. Tillgängligt utrymme i underjordslaboratoriet tillät inte någon optimering av Mätprogram för förslutna områden sändarantenn, men i ett slutförvar då utrymme från början planeras för antennen bör prestanda kraftigt kunna förbättras, framför allt beträffande energiförbrukningen. Resultaten pekar på att elförbrukningen för ett optimerat system i ett förvar i granit kommer att bli mindre än 1 mWs/bit. Elförsörjning av sensorer och sändare diskuteras i delrapporterna 2 och 4 men utan någon djupare analys. Litiumbatteriet i har en beräknad livslängd på 1–beroende på applikationen, men inga mätningar som verifierar denna uppskattning redovisas. Gruppen kring HADES-experimentet menar att resultatet kan användas för att analysera möjligheterna att trådlöst överföra energi till övervakningsapparatur i förvaret. Om mätningar ska göras i förslutna områden har fortsatt analys och teknikutveckling för elförsörjning av sensorer och dataöverföring hög prioritet. Sammanfattningsvis kan man konstatera att det utanför finns ett betydande intresse av teknikutveckling för att kunna mäta tillståndet i de tekniska barriärerna både under den stegvisa förslutningen och under den institutionella övervakningen efter slutlig förslutning. I två av fallen, och , är intresset kopplat till krav på möjlighet att återta bränslet, men i samtliga fall hänvisas till behov att kontrollera säkerhetsanalysen och skapa förtroende för processen. Betydande teknikutveckling pågår men mer krävs för att göra tekniken operativ. 6.2.2WP4 – Tre fallstudier gällande förvaring av kärnavfall i olika typer av berg Forskningsprogrammen för att utveckla teknik för övervakning av deponier av använt kärnbränsle grundar sig på ett samarbete över nationsgränserna. Slutförvarets utformning i olika länder bestäms utifrån inhemska lagar och förordningar om hantering av kärnavfall Mätprogram för förslutna områden och de geologiska förhållanden som existerar. Det innebär oftast att man arbetar utifrån olika koncept. Figur 6.1 visar tre olika typer av omgivande berg och motsvarande koncept för förvaring av kärnavfall. Dessutom redovisas övergripande primära och sekundära målsättningar för att utveckla övervakningssystem för förvaret. Arbetet har genomförts med utgångspunkt från den säkerhetsanalys som har definierats för respektive koncept. Säkerhetsanalysen är ett huvudinstrument för att välja vilka processer som har stor betydelse för förvarets utveckling och utgör därigenom en länk till ett övervakningsprogram. De kan variera för olika typer av berggrund och koncept. • långa vertikala borrhål • korta vertikala borrhål • buffert av bentonit • möjlighet till återtag Säkerställa att den långsiktiga utvecklingen löper planenligt för ett långsiktigt säkert förvar för en säker hantering av Mätprogram för förslutna områden Den tyska metoden som redovisas i fallstudien9 bygger på förvaring av högaktivt kärnavfall i en geologisk barriär av salt och ett koncept för demonstration av säkerheten (Safety Assessment Concept) har utvecklats. Huvudaspekten utgörs av en systematisk demonstration av en långsiktig inneslutning av avfallet genom att redovisa integriteten hos alla relevanta tekniska barriärer liksom för den geologiska huvudbarriären. Den geologiska integriteten hos saltbarriären t.ex. i Gorleben beror i hög grad på den spärrande funktionen hos anhydrit (CaSO4) och man bedömer att utsläpp i ett oskadat förvar är uteslutna. Hoten för inträngning av saltvatten och radioaktiva utsläpp utgörs av de schakt, gångar och hålrum som är resultat av deponeringen. Målet är att när förvaret är förslutet kommer avfallet att vara fullständigt isolerat och att demonstrera en säker inneslutning har blivit ett huvudsyfte. De tekniska barriärerna i det tyska konceptet består av förslutningar av schakt, gångar och borrhål samt avfallsbehållare. Huvudkravet på den geologiska huvudbarriären gäller dess täthet mot vätskeflöden. Det finns två processer som påverkar denna funktion nämligen verksamheten i förvaret och den lokala värmeutvecklingen från det högaktiva avfallet. De termomekaniska effekterna måste i båda fallen fastställas eftersom de kan leda till att det kan bildas öppna och sammanhängande sprickor som kan förorsaka inträngning av saltvatten i deponeringsområdet. Modellberäkningar används för att visa att om transportvägar för saltvatten kan undvikas är funktionaliteten och integriteten hos huvudbarriären säkerställd. De viktigaste processerna som påverkar säkerheten är tryck- och temperaturutvecklingen i den geologiska barriären. Den maximala temperaturen i förvaret har fastställts till 200⁰C. Avfallsbehållarnas huvuduppgift är att på ett säkert sätt innesluta det radioaktiva avfallet under transport över och under jord. Uppgiften som skyddsbarriär är av tillfällig natur men det krävs att dess skyddande egenskaper behålls tills dess att de geotekniska 9 studerar flera olika alternativ för slutförvaring där förvaring i saltlager utgör ett alternativ. Se kapitel 2. Mätprogram för förslutna områden barriärerna (dvs. återfyllningen och förslutningar av borrhål, schakt och gångar) är på plats och tar över. I varje deponeringshål kommer behållarna att omges av en metallcylinder för att avfallet ska kunna återtas vid behov. De viktigaste processerna efter förslutning är: 1.mekanisk påverkan på metallcylindern genom yttre tryck och termiskt inducerat tryck från avfallet 2.påverkan av värme från avfallet i cylindern och av värmen från andra kapslar i närheten 3.korrosion av behållare och cylinder genom radiolys, oxidation med syrgas och i förekommande fall genom inträngande vatten De parametrar man valt för att karakterisera dessa processer är temperatur, tryck och vattenhalt i närheten av cylindern, samt korrosionsströmmar på kapselns yta. Ett övervakningssystem bygger på att man valt att mäta de parametrar som påverkar säkerheten mest. En annan viktig ingrediens i det tyska konceptet är att använda sig av ett särskilt övervakningsområde som kan erbjuda möjligheter att mäta relevanta parametrar utan att störa det riktiga förvaret. Utvecklingen av ett helt förvar efter förslutning blir därigenom också möjlig att följa. Enligt MoDeRn är det möjligt att med nuvarande teknologi mäta de flesta av de relevanta parametrar som behövs. De största utmaningarna är att åstadkomma en långsiktig energitillförsel, i omkring , och att överföra data trådlöst så att barriärerna inte påverkas negativt. Den andra fallstudien beskriver utveckling av ett övervakningsprogram för ett förvar i lerrik sedimentär bergart (Argillaceous rock). Som referenssystem har man har valt det franska konceptet som är utformat för att skapa långsiktig passiv säkerhet efter förslutning men som också ska ge möjligheter för att återta avfallet under arbetet med deponeringen. Möjligheten till övervakning ska implementeras redan i förvarets design och metoderna får inte påverka förvarets långsiktiga säkerhet. Mätprogram för förslutna områden Det franska programmet föreskriver att djupförvaret ska vara reversibelt och det krävs ett nytt beslut innan förvaret får förslutas. Övervakning används för att verifiera en förväntad utveckling av förvaret och ska tillsammans med tidigare studier och simuleringar ge underlag till ett stegvis beslutsfattande om den fortsatta hanteringen av avfallet dvs. fortsätta, avbryta, förändra eller återta. Transport av vatten i och genom förvaret är en viktig säkerhetsparameter och den måste begränsas genom att välja berg med mycket låg permeabilitet. Det berg man valt ligger i östra och är fritt från sprickor och har gynnsam geokemi (reducerande miljö, låg löslighet av radionuklider och hög absorptionsförmåga), vilka är viktiga egenskaper för den långsiktiga säkerheten. Alla faktorer som utgrävning, vattenmättning, uttorkning, uppvärmning och kemiska processer måste vara väl undersökta och förstådda. Det gäller att begränsa vattentransporten genom schakt och ramper under pågående deponering, liksom flödet av vatten från omgivande berg till och i närheten av behållare med avfallet. Transporten av radionuklider utanför avfallsbehållarna ska begränsas och rum. Det högaktiva förglasade avfallet placeras i stålcylindrar för att förhindra direkt kontakt med vatten tills temperaturen sjunkit ner till 50⁰C, vilket kan ta upp till . Återfyllning och förslutning görs huvudsakligen med svällande lera som innehåller pluggar av betong för att ge mekanisk stabilitet. Funktionen hos de tekniska barriärerna främst avfallsbehållare, pluggar och förslutningar ska kontrolleras. Störningar av deras funktion har framför allt termiska, mekaniska eller kemiska orsaker och är föremål för övervakning. Vattenmättning och svällning av förslutningar påverkar vattentransporten och ska övervakas. Man arbetar f.n. med att hitta en bra metod för detta. Direkt övervakning av ytterhöljets korrosion övervägs men det är en mycket långsam process, vilket är problematiskt och alternativt kan man i stället studera korrosionshastigheten under jämförbara förhållanden (s.k. offerstrukturer) men utan radioaktivt material. Genom att kombinera kunskaper om den termiska utvecklingen med resultat från studier av korrosion skapas förutsättningar för att förutsäga ytterhöljets långsiktiga hållbarhet. Mätprogram för förslutna områden Övervakning av kemiska förändringar görs genom provtagning på ett antal ställen . Övervakning av mekaniska förändringar (t.ex. deformation genom ökat tryck och självläkning av återfyllning) och delvis efter förslutning görs på representativa ställen i förvaret. Övervakning av störningar från avfallspaketens värmeutveckling ska göras i deras omedelbara närhet och omgivning för att fastställa hur detta påverkar utvecklingen på lång sikt. Utformningen av ett övervakningssystem bygger på en tidigare kunskap om hur man förväntar sig att förvaret utvecklas på både kort och lång sikt. Det är nödvändigt att placera sensorer där möjligheter till förändringar är störst och där de dessutom kan fungera även under svåra förhållanden . Det är också nödvändigt att övervakning ska kunna göras i olika tidsskalor. Mätpunkterna fördelas först i hela förvaret för att därefter minska antalet mätpunkter när kunskaper om förvarets utveckling ökar. De metoder för övervakning man tänker använda sig av omfattar både direkta och indirekta mätningar. Man arbetar med att utveckla metoder för att följa vattenmättning och syreförbrukning i borrhål, förslutning och återfyllning på distans men också genom att återta prover för kontroll. Temperaturutvecklingen ska följas både med optiska fibrer och trådlöst. Fallstudien för KBS-3-metoden avser ett slutförvarsprojekt i Olkiluoto, . Författarlistan upptar Posiva, medan SKB återfinns bland granskarna. På samma sätt som i de två tidigare fallstudierna kopplas säkerhetsfunktioner till de olika barriärerna för att få fram processer som måste övervakas och motsvarande parametrar som bör mätas. Ansatsen är bred. I samband med byggandet av underjordslaboratoriet ONKALO identifierades 59 fysiska, hydrogeologiska, geokemiska och biologiska processer av betydelse för att förstå platsen och prestanda för ett förvar på platsen. Posiva har gjort en uppdatering med fokus på långsiktig säkerhet och de tekniska och geologiska barriärerna. Där identifieras 36 FEP (features, events, processes) av betydelse för utvecklingen av de tekniska barriärerna Mätprogram för förslutna områden och migration av exempelvis radionuklider genom dessa. Redan vid denna genomgång konstaterar författarna: Perhaps the most critical process affecting the performance of the engineered barriers, at least among those processes that are expected to occur during the operational period, is the water uptake into the buffer and backfill. It starts when unsaturated bentonite (and other clay) comes into contact with groundwater, and continues until the water-absorbing clays have saturated and hydraulic gradients have relaxed. Författarna finner att vissa processer sker att de inte kan observeras inom en rimlig tidshorisont. Exempel på sådana processer i bentonitbufferten och återfyllningen är mineralogiska förändringar. konstaterar författarna att: water uptake and resulting swelling are essential processes that bring the barrier system from its initial state towards the intended target state during the years or decades during which monitoring is possible.11 Efter genomgång av relevanta parametrar möjliga att mäta, utmynnar fallstudien i ett förslag till övervakning av ett demonstrationsförvar enligt det svensk/finska KBS-3V-konceptet. Undersökningen betraktas som ett komplement till den franska fallstudien där fokus ligger på övervakning av hela avfallscellen, medan i detta fall fokus ligger på övervakning av funktionen hos bentonitbarriärerna. Demonstrationsförvaret utgörs av en deponeringstunnel med ”dummy” kapslar utan radioaktivt innehåll. Bentonitens vattenmättnad övervakas genom mätning av svälltryck, vatteninnehåll och relativ fuktighet. Den totala längden av den återfyllda tunneln är 50–60 m och avståndet mellan två ”dummy” kapslar är omkring 10 m. Data överförs trådlöst med lågfrekventa radiovågor (1–10 kHz), vilka har längre räckvidd genom fuktigt material än de högfrekventa signaler som användes exempelvis i den andra fältstudien i Grimsel i WP3. Radiosignalerna från de längst bort belägna deponeringshålen går via reläer till mätstationen utanför den pluggade tunneln. Sändare, reläer och mottagare är arrangerade så att radiovågorna till största delen går genom berget i närzonen, vilken har lägre elekt- 10Jobmann, M. (editor), (2013) WP4 “Case Studies Final Report”, Deliverable 4.1, s. 79. 11MoDeRn, “Case Studies Final Report” Deliverable: D 4.1, s. 80. Mätprogram för förslutna områden risk konduktivitet än den fuktiga bentoniten. Sensorer, sändare och reläer försörjs av ett litiumbatteri och beräknas ha en livslängd på I motsats till de tidigare två fallstudierna gör den finska fall- studien halt inför möjligheten att övervaka utvecklingen i en barriär i ett verkligt förvar med deponerade avfallspaket. Författarna konstaterar kortfattat att: ”(p)referably, no monitoring system should be installed into barriers designed to retain radionuclides.”12 En reflektion är att fallstudien kan utgöra en bas för ett mini-program för övervakning av förslutna områden av ett KBS-3-förvar. Ett antal deponeringstunnlar skulle kunna fungera som demonstrationsförvar med bl.a. övervakning av bentonitens vattenmättnad. Deltagarna i WP4 är själva inne på den linjen när de i det avslutande kapitlet med slutsatser (”Conclusions and lessons learned”) skriver: The idea of establishing some form of “pilot facility” would enable not only increased process understanding during repository operation and to evaluate and update monitoring programmes prior to final closure but would also be a useful tool for stakeholder confidence building.13 Rådet utgår ifrån att EU projektet representerar kunskapsläget beträffande övervakning av förslutna delar av ett slutförvar för långlivat och högaktivt kärnavfall. De genomgångna rapporterna har författats av organisationer med hög kompetens inom området i , , , , , , och . Inga försök har ännu gjorts med kapslar eller celler fyllda med aktivt avfall. Ambitionerna i de nationella programmen skiftar, från det finska inriktad på en demonstration i en pluggad deponeringstunnel med ”dummy” kapslar till det franska eller nederländska inriktade mot utveckling av operativa system för slutförvaret. Rådets slutsats är att det finns viktiga internationella aktörer som i motsats till SKB tror på både vikten och möjligheterna att till 12MoDeRn, “Case Studies Final Report” Deliverable: D 4.1, s. 85. 13MoDeRn, “Case Studies Final Report” Deliverable: D4.1, s. 140. Mätprogram för förslutna områden en rimlig kostnad utveckla system för att mäta tillståndsvärden i förslutna delar av förvaret. Dessa aktörer har redan startat utvecklingen av sådana system och inriktningen överensstämmer i stort med den som rådet förespråkar. Barriärerna i KBS-3-metoden har valts utifrån sina optimala egenskaper dvs. när berg, buffert och kopparkapsel fungerar som bäst. har debatten om de tekniska barriärernas hållfasthet varit livlig och stundom hätsk. Forskningsresultaten indikerar att bentonitbuffertens funktion som barriär mot olika attacker på kopparkapseln har en nyckelroll. En homogent vattenmättad buffert i deponeringshålet är en försäkring för ett långsiktigt hållbart förvar. Att optimera förutsättningarna för en sådan utveckling är väsentligt för att åstadkomma ett tryggt förvar. I yttrandet över Fud-program 2010 ansåg rådet att SKB ska utveckla: ”ett mätprogram som gör det möjligt att verifiera utveckingen i buffert, deponeringshål och deponeringstunnlar efterhand som tunnlarna försluts”.14 Rådets yttrande till mark- och miljödomstolen om kompletteringar i SKB:s ansökan om att få uppföra ett slutförvar pekar på behovet av mätprogram för förslutna områden.15 Det framgår dels av SKB:s svar till mark- och miljödomstolen, dels av SKB:s muntliga redovisning inför rådet att man inte har för avsikt att redovisa något sådant mätprogram. Kontrollprogram före och under deponering anses tillräckligt. I sitt andra kompletteringsyttrande till mark- och miljödomstolen vidhåller rådet sitt krav på att ansökan bör kompletteras med ett förslag till mätprogram för att följa utvecklingen i deponeringshål och tunnlar efter pluggning och förslutning.16 14SOU 2011:50 yttrande över SKB:s Fud-program 2010, s. 92. 15Kärnavfallsrådets synpunkter på behov av kompletteringar av ansökan för tillstånd till anläggningar i ett sammanhängande system för slutförvaring av använt kärnbränsle och kärnavfall (M 1333-11). (Dnr 43/2012), s. 42. 16Yttrande över Svensk kärnbränslehantering AB:s (SKB) svar på yrkanden på kompletteringar av ansökan om tillstånd enligt i ett sammanhängande system för slutförvaring av använt kärnbränsle och kärnavfall (M 1333-11). (Dnr 19/2013), s. 38. Mätprogram för förslutna områden Behovet av ett mätprogram för förslutna områden i slutförvaret aktualiserades på nytt vid rådets remissbehandling av SKB:s Fudprogram 2013. Fud-programmen ska redovisa SKB:s analys och slutsatser beträffande behovet av forsknings- och utvecklingsinsatser med fokus på den närmaste treårsperioden. Enligt SKB:s egen planering är detta den sista treårsperioden innan konstruktionen av slutförvaret planeras att starta. Behovet av mätprogram för förslutna områden analyseras inte någonstans i programmet. (2012), synpunkter på behov av kompletteringar av ansökan för tillstånd till anläggningar i ett sammanhängande system för slutförvaring av använt kärnbränsle och kärnavfall (M 1333-11). (Dnr 43/2012). (2013), Yttrande över Svensk kärnbränslehantering AB:s (SKB) svar på yrkanden på kompletteringar av ansökan om tillstånd enligt i ett sammanhängande system för slutförvaring av använt kärnbränsle och kärnavfall (M 1333-11). (Dnr 19/2013). (2014), New insights into the repository´s engineered barriers; A report from symposium on –21, 2013. , , , G.R., & Sharifi-Asl, S. (2014), Issues in the Corrosion of Copper in a Swedish High Level Nuclear : Phase III.