Istrošeno nuklearno gorivo (ING) nakon vađenja iz jezgre reaktora sadrži oko 96% uranija, 1% plutonija i 3% drugih spojeva, poput fisijskih produkata i teških metala. Ono je izvor neutronskog i gama zračenja kao i izvor topline i stoga se određeno vremensko razdoblje čuva (hladi) u bazenu za istrošeno gorivo na lokaciji nuklearne elektrane. Uobičajeno se takvo gorivo hladi najmanje nekoliko godina prije nego što se smije transportirati cestom, željeznicom ili brodom do privremenog skladišta ili postrojenja za ponovnu preradu. Gorivni elementi se ulažu u posebne komercijalne spremnike koji prazni teže preko 100 tona zbog posebne konstrukcije izrađene od raznovrsnih materijala.
Proces skladištenja ING-a sastoji se od mokrog i suhog skladištenja.
Mokro skladištenje
Mokro skladištenje je način privremenog skladištenja u bazenima za istrošeno gorivo u krugu nuklearne elektrane ili u posebno izgrađenim postrojenjima. U posebno izgrađenim postrojenjima se na jednom mjestu pohranjuje ING iz većeg broja nuklearnih elektrana (centralno pohranjivanje). Najpoznatija centralna pohranjivanja u Europi nalaze se u Švedskoj i Finskoj. Za ovakva postrojenja zahtjev za sustavnim i stalnim kontroliranjem postrojenja je jednak kao i kod nuklearnih elektrana.
ING se neposredno nakon vađenja iz reaktora pohranjuje u bazenu s vodom kojoj je dodana borna kiselina zbog procesa hlađenja i smanjenja radioaktivnosti. Minimalni vremenski period u kojem se ING pohranjuje u bazenu je od devet do dvanaest mjeseci. U većini slučajeva se ING pohranjuje u bazenu u krugu nuklearne elektrane nekoliko godina, ponekad i nekoliko desetaka godina, ovisno o kapacitetu bazena. Gorivo se u bazenu nalazi unutar metalne konstrukcije koja gorivne elemente drži u vertikalnom položaju i podupire. Položaj i međusobni razmak između gorivnih elemenata ING-a su bitni kako bi se omogućilo hlađenje goriva te da se spriječila lančana fisijska reakcija. Mokro skladištenje je prvi korak u sigurnom zbrinjavanju ING-a jer omogućuje stabilizaciju goriva dok se ne donesu daljnje odluke o njegovom trajnom zbrinjavanju.
Kako bi se postigla prihvatljiva brzina doze iznad bazena, a time i zaštitilo osoblje koje manipulira gorivom potrebno je barem 6 metara vode iznad gornjeg ruba uskladištenoga istrošenog goriva. Kada se uzmu u obzir svi zahtjevi, dubina bazena iznosi 12-14 metara. Gorivo se u bazenu hladi prirodnom cirkulacijom (topla se voda diže uzduž gorivnog elementa, miješa se s hladnijom vodom u sloju iznad goriva i spušta se prema dnu bazena dalje od gorivnog elementa). Za efikasnije hlađenje, bazen je opremljen posebnim sustavom za hlađenje bazena za istrošeno gorivo. Ovaj sustav uzima topliju vodu s vrha bazena, odvodi toplinu pomoću izmjenjivača topline i zatim vraća ohlađenu vodu na dno bazena.
Ova tehnologija je dokazana kroz više od 50 godina uporabe i nastaviti će se koristiti i u budućnosti.
Suho skladištenje
Nakon dovoljno dugog vremena provedenog u bazenu, istrošeno gorivo je moguće premjestiti u suho skladište.
Suho skladištenje koristi se kada se istrošeno gorivo dovoljno ohladi i za skladištenje goriva nakon zatvaranja i razgradnje elektrane. Ova metoda počela se koristiti prije otprilike trideset godina, a suho skladište istrošenog goriva u NE Krško pušteno je u pogon 2023. godine.
Prednosti suhog skladištenja istrošenog goriva:
- veća sigurnost i manji rizik za okoliš u usporedbi s postojećim načinom pohranjivanja u bazenu
- dugoročno osigurano pasivno hlađenje prirodnim protokom zraka
- minimalno održavanje objekta odnosno spremnik
- robusno tehničko rješenje spremnika štiti od ekstremnih vremenskih i potresnih opasnosti te možebitnog pada komercijalnog zrakoplova
- minimalni radiološki utjecaji na okoliš; novi objekt neće ničim utjecati na okolišne ograničenja, koja će ostati nepromijenjena
- mogućnost transporta gorivih elemenata u budućnosti za potrebe trajnog rješenja.
Do danas je razvijen znatan broj različitih sustava za suho skladištenje ING-a. Najčešći tipovi tih sustava su:
- samostojeći masivni spremnici (engleski: cask) koji se drže na ograđenom otvorenom prostoru na armirano betonskoj ploči ili unutar jednostavne građevine;
- robustne armirano-betonske građevine s posebno dizajniranim nišama u koje se ING umeće pakiran u puno lakše tankostijene spremnike (kanistere, engleski canister).
Izvedbe spremnika i kanistera razvijale su se tako da se omogući njihova višenamjenska i modularna primjena. Budući da postupci zbrinjavanja ING-a obuhvaćaju tri ključne aktivnosti – transport, skladištenje i odlaganje – idealno bi bilo da se za sve te postupke može koristiti isti spremnik. No, takav višenamjenski spremnik do sada nije razvijen.
Danas se proizvode dvonamjenski spremnici koji služe i za transport i za skladištenje ING-a, ali se i dalje koriste i spremnici koji služe za samo jednu od tih namjena. Usto, noviji sustavi za transport i skladištenje ING-a kod pojedinih proizvođača izbjegavaju pojedinačno umetanje iskorištenih gorivnih elemenata u masivne spremnike (cask), već se gorivni elementi najprije pakiraju u lagane tankostijene spremnike koji se mogu umetati u masivne spremnike. To omogućuje jednostavnije prenošenje ING-a iz jednog tipa masivnog spremnika u drugi (pa zato proizvođači koriste naziv „višenamjenski“ sustavi).
Tipični dvonamjenski spremnik (za transport i skladištenje) izrađen je uglavnom od metala. Za sustav zatvaranja koriste se poklopci učvršćeni vijcima ili zavareni. U unutrašnjem dijelu spremnika (košara ili kanister), gorivni elementi razdvojeni su pregradama od materijala koji apsorbira spore neutrone (obično borirani aluminij) da bi se spriječila lančana fisijska reakcija (kaže se: da bi se osigurala potkritičnost). U vanjskom dijelu spremnika, ispod željeznog ili čeličnog plašta, nalazi se materijal koji sprječava neutronsko zračenje iz spremnika: usporivač neutrona (moderator), npr. polietilen, ili teški beton. Pristup do spremnika je u svakom trenutku moguć zbog relativno malog zračenja i niske temperature na vanjskoj površini spremnika.
Dvonamjenski spremnik s košarom za 24 gorivna elementa CASTOR V/19, visina spremnika 5,94 m, vanjski promjer 2,44 m, masa praznog spremnika 108 tona, izvor: GNS Gesellschaft für Nuklear-Service mbH
Dvonamjenski CONSTOR spremnik, mjere po narudžbi, izvor: GNS Gesellschaft für Nuklear-Service mbH
Spremnici obično mogu zaprimiti do nekoliko desetaka iskorištenih gorivnih elemenata. Iz njih se (nakon ulaganja gorivnih elemenata u mokrom skladištu) uklanjaju voda i zrak, a pune se inertnim plinom. Robustan dizajn omogućuje spremnicima otpornost na teške nesreće.
Spremnici se mogu pohraniti u vertikalnom položaju bez potrebe za izgradnjom dodatne građevine za pohranjivanje. No, u nekim se državama spremnici skladište u posebno izgrađenim građevinama za dodatnu zaštitu od prirodnih katastrofa, nesreća ili napada. U svijetu su dostupni različiti dizajni spremnika i sustava za suho skladištenje, ali zajedničko svojstvo im je da osiguravaju integritet goriva, održavajući gorivo u potkritičnom stanju te predstavljaju barijeru ispusta radioaktivnosti.
Duboko geološko odlagalište
Odlaganje VRAO-a odnosno ING-a može se planirati nakon što se otpad dovoljno ohladi tijekom privremenog skladištenja, bilo u vodi (mokro skladištenje) ili u posebnim spremnicima (suho skladištenje). Ovi procesi omogućuju da se radioaktivni materijali stabiliziraju prije trajnog odlaganja.
Istrošeno nuklearno gorivo može se tretirati na dva načina:
- izravno odlaganje – gdje se ING u cijelosti smatra visokoradioaktivnim otpadom i skladišti bez daljnje prerade.
- prerada – proces u kojem se dio otpada reciklira, čime se smanjuje ukupna količina otpada, ali aktivnost (radioaktivnost) otpada ostaje visoka. Ovim postupkom nastaju specifični oblici otpada, poput ustakljenog (vitrificiranog) otpada, koji se može sigurnije skladištiti i odlagati.
Neke zemlje, poput Francuske, Rusije, Nizozemske, Belgije, Japana, Indije i Kine, preferiraju preradu nuklearnog goriva. S druge strane, SAD, Kanada, Finska i Švedska planiraju izravno odlaganje istrošenog goriva bez njegove prerade. Mnoge zemlje još uvijek nisu donijele konačnu odluku o najboljem pristupu za dugoročno rješavanje pitanja zbrinjavanja ovog otpada.
Odlaganje u duboke geološke formacije
Prema Međunarodnoj agenciji za atomsku energiju (IAEA), duboko geološko odlagalište je mjesto/podzemni objekt gdje se čvrsti visokoradioaktivni otpad, koji je prethodno obrađen i zapakiran, odlaže na dubini od nekoliko stotina metara ispod zemlje. Ova mjesta su u stabilnom području, a uz otpad se koriste i druge zaštitne barijere kako bi se osiguralo da otpad ostane sigurno pohranjen.
Osnovni zahtjev za bilo koju geološku formaciju jest sposobnost zadržavanja i izoliranja radioaktivnog otpada od čovjekove okoline sve dok radioaktivnost otpada ne padne na dovoljno nisku razinu, neopasnu za čovjeka i okoliš. Kako bi se povećala sigurnost geološkog odlaganja, takvi koncepti se oslanjaju na sustav nezavisnih i višestrukih barijera koje sprečavaju migraciju radionuklida iz spremnika.
U dubokom geološkom odlagalištu, stijena domaćin predstavlja najbitniju, izolacijsku komponentu odlagališta, dok se kombinacijom različitih barijera omogućava zadržavanje radionuklida na velikoj dubini, u stabilnom sustavu. Na taj se način omogućuje raspadanje radionuklida, postupan pad oslobađanja topline i radioaktivnosti goriva, te postupno ispuštanje u okoliš, kada će aktivnost biti neznatne razine.
Barijere odlagališta obično podrazumijevaju: (1) oblik otpada otporan na curenje, (2) antikorozivnu posudu u kojoj se otpad imobilizira, (3) posebne nepropusne inženjerske barijere koje okružuju spremnik, (4) samu geološku formaciju kao osnovnu barijeru koja izolira otpad od okoline.
Sustav višestrukih barijera odlagališta VRAO-a, izvor: Posiva Oy
Glavne karakteristike stijene koja je pogodna za gradnju dubokog geološkog odlagališta su:
- dugoročna stabilnost, bez potresa, pucanja i velikih promjena, koja traje milijunima godina;
- niska razina podzemne vode i njen spor protok na dubini gdje će biti odlagalište, s dokazom stabilnosti najmanje desetke tisuća godina;
- stabilni kemijski uvjeti, gdje voda i minerali u stijeni stvaraju okolinu koja sprječava reakcije s otpadom;
- dobra svojstva stijene koja omogućuju sigurnu i jednostavnu gradnju, uz stabilnost za rad u trajanju od nekoliko desetljeća, bez potrebe za potpornim sustavima.
Dobro odabrana geološka sredina za odlagalište djeluje kao zaštitni sloj, poput „kukuljice“, koja dodatno štiti inženjerske barijere. Ona sprječava promjene u naprezanju stijena, potencijalno curenje vode i promjene u kemijskom sastavu vode.
Mnoge zemlje s razvijenim nuklearnim programima danas smatraju duboka geološka odlagališta najsigurnijim načinom zbrinjavanja VRAO-a i/ili ING-a. Neki od razloga za to su:
- pasivna sigurnost: ovaj sustav ne zahtijeva ljudsku intervenciju za održavanje. Jednom kada se otpad odloži i odlagalište zapuni, prirodni geološki slojevi osiguravaju izolaciju i zaštitu,
- bez opasnosti za ljude i okoliš: dok se otpad nalazi duboko u podzemlju, on ne predstavlja prijetnju za ljude ili okoliš. Zbog toga se tuneli i odlagališni prostori nalaze na dubini od nekoliko stotina metara ispod površine,
- različite mogućnosti odlaganja: razne vrste geoloških formacija mogu poslužiti kao sigurno mjesto za odlaganje otpada. To uključuje solne dome, glinu, granit, bazalt i razne metamorfne stijene,
- dokazana praksa: neke zemlje, poput Švedske i Finske, već desetljećima koriste duboka podzemna odlagališta za nisko i srednje radioaktivni otpad. Trenutno istražuju i mogućnost odlaganja visoko radioaktivnog otpada, a tehnologija koja se koristi u rudarstvu pokazala se pouzdanom i primjenjivom.
Svjetska praksa odlaganja ING-a
Danas u svijetu ne postoji nijedno licencirano odlagalište VRAO-a. Međutim, nekoliko projekata je prošlo dugogodišnje faze priprema.
Najbliži realizaciji je projekt odlagališta u Finskoj. Zove se Onkalo, što znači špilja, a nalazi se u blizini postojeće nuklearne elektrane Olkiluoto. Nakon pristanka lokalne zajednice 2003. godine, izgrađeni su pristupni tuneli i podzemna galerija. Gradnja jedinica za odlaganje je započela nakon dobivanja građevinske dozvole 2015. godine.
Trenutno se provodi probna faza, započeta u kolovozu 2024., tijekom koje se testiraju svi sustavi i oprema u skladištu, uključujući postavljanje i vraćanje spremnika za istrošeno gorivo u podzemne tunele. Ova faza je ključna za provjeru sigurnosti prije početka operativnog zbrinjavanja otpada. Odlagalište je smješteno na dubini od oko 450 metara, a može prihvatiti do 6.500 tona istrošenog goriva, što odgovara otprilike 3.250 spremnika. Onkalo će se koristiti za odlaganje nuklearnog goriva iz finskih nuklearnih elektrana, a cjelokupni proces je pažljivo planiran kako bi se osigurala dugoročna sigurnost korištenjem zaštitnih inženjerskih barijera poput bakrenih spremnika i bentonitne gline.
Očekuje se da će projekt dobiti operativnu licencu do kraja 2024., nakon čega će Finska postati prva zemlja na svijetu koja je u potpunosti implementirala ovakvo rješenje za odlaganje visoko radioaktivnog otpada.