Polka wie jak ograniczyć zagrożenie w składowiskach odpadów jądrowych

Bezpieczne gospodarowanie odpadami promieniotwórczymi to jedno z najważniejszych wyzwań stojących przed energetyką jądrową. Szczególnie wymagające jest składowanie odpadów wysokoaktywnych, w tym zużytego paliwa jądrowego, które mogą pozostawać niebezpieczne przez setki tysięcy lat.

Składowanie odpadów radioaktywnych wyzwaniem na tysiące lat

Jednym z rozwiązań są głębokie składowiska geologiczne. Odpady umieszcza się w specjalnych pojemnikach na głębokości kilkuset metrów, a następnie otacza materiałami izolacyjnymi. Ich zadaniem jest ograniczenie kontaktu pojemników z otoczeniem oraz zapobieganie przedostawaniu się substancji promieniotwórczych do środowiska.

Wśród materiałów wykorzystywanych do tworzenia takich barier szczególne miejsce zajmuje bentonit – naturalna skała ilasta o właściwościach uszczelniających. – Jest trochę podobny do kociego żwirku. Kiedy wchodzi w kontakt z wodą, zaczyna pęcznieć i wypełnia wolne przestrzenie wokół pojemników. Dzięki temu stabilizuje składowisko i tworzy szczelną barierę – wyjaśniła dr Natalia Jakus z Politechniki Federalnej w Lozannie (EPFL).

Bentonit ma jeszcze jedną istotną właściwość. Może zatrzymywać część substancji promieniotwórczych, ograniczając ich przemieszczanie się w przypadku uszkodzenia pojemników.

Bakterie mogą przyspieszać korozję pojemników z odpadami

Zagrożeniem dla trwałości podziemnych instalacji są nie tylko procesy chemiczne i fizyczne, ale również mikroorganizmy występujące naturalnie w głębokich warstwach geologicznych. Niektóre bakterie, zwłaszcza redukujące siarczany, wytwarzają związki mogące przyspieszać korozję stali. Podobne zjawiska obserwuje się m.in. w rurociągach i instalacjach przemysłowych.

Jak podkreśla dr Jakus, w przypadku składowisk odpadów radioaktywnych korozja związana z aktywnością mikroorganizmów ma stosunkowo niewielkie znaczenie w porównaniu z procesami niebiologicznymi. Nie można jej jednak pomijać ze względu na wyjątkowo długi okres, przez jaki składowiska muszą zachować bezpieczeństwo. Z tego powodu międzynarodowy zespół naukowców z EPFL oraz szwajcarskiej organizacji Nagra postanowił zbadać, jak bakterie zachowują się w bentonicie o różnym stopniu zagęszczenia.

Ponad osiem lat badań w podziemnym laboratorium

Eksperyment przeprowadzono w podziemnym laboratorium skalnym Mont Terri w szwajcarskim kantonie Jura. To miejsce umożliwia prowadzenie badań w warunkach geologicznych zbliżonych do tych, jakie będą panować w przyszłych głębokich składowiskach odpadów jądrowych.

Naukowcy umieścili w otworze badawczym stalowe cylindry wypełnione bentonitem o trzech różnych stopniach zagęszczenia. Następnie przez kolejne lata obserwowali zmiany zachodzące w materiale.

Próbki pobierano po 1,5 roku, 5,5 roku oraz 8,5 roku. Badacze analizowali DNA mikroorganizmów, określając ich liczebność i skład gatunkowy. Sprawdzali także, czy bakterie zachowały zdolność do życia i rozmnażania. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie naukowym „Applied Clay Science”.

Im bardziej zagęszczony bentonit, tym mniej bakterii

Analizy wykazały, że liczebność mikroorganizmów na ogół zmniejszała się wraz z upływem czasu. Jednocześnie zaobserwowano wyraźną zależność między stopniem zagęszczenia bentonitu a obecnością bakterii. Im większe zagęszczenie materiału, tym mniej mikroorganizmów wykrywano w próbkach.

Co istotne, nawet w przypadku bentonitu o najniższym zastosowanym zagęszczeniu nie stwierdzono trwałego wzrostu liczebności bakterii. To ważna informacja z punktu widzenia projektowania przyszłych składowisk. Wyniki sugerują bowiem, że skuteczne ograniczenie aktywności mikroorganizmów może być możliwe również przy mniejszym zagęszczeniu bentonitu, niż wcześniej zakładano.

W praktyce mogłoby to pozwolić na optymalizację ilości stosowanego materiału i ograniczenie kosztów budowy podziemnych barier ochronnych. Wnioski te wymagają jednak uwzględnienia pozostałych wymagań bezpieczeństwa składowisk.

Bakterie przetrwały, ale ich rozwój został zahamowany

Badania przyniosły również inne istotne odkrycie. Mimo spadku liczebności mikroorganizmów część bakterii zachowała zdolność do życia nawet po 8,5 roku przebywania w bentonicie.

Po pobraniu próbek i umieszczeniu ich w odpowiednich warunkach laboratoryjnych naukowcy byli w stanie ponownie namnażać niektóre gatunki. Oznacza to, że bentonit nie musi całkowicie eliminować bakterii, ale skutecznie ogranicza warunki niezbędne do ich rozwoju. Dzieje się tak dzięki jego właściwościom fizycznym. Pęczniejący materiał zmniejsza przestrzeń dostępną dla mikroorganizmów, utrudnia dostęp do wody i substancji odżywczych, a także ogranicza usuwanie produktów przemiany materii.

Badacze zastrzegają jednak, że zahamowanie aktywności bakterii nie oznacza ich trwałego unieszkodliwienia. W przypadku powstania szczelin w skale i pojawienia się korzystniejszych warunków część mikroorganizmów mogłaby ponownie się uaktywnić.

Dodatkowym zabezpieczeniem jest zdolność bentonitu do pęcznienia i samoczynnego wypełniania niewielkich szczelin, co pomaga utrzymać szczelność bariery geologicznej.

Odkrycie może obniżyć koszty składowania odpadów jądrowych

Wyniki szwajcarskiego eksperymentu mogą mieć znaczenie zarówno dla bezpieczeństwa środowiskowego, jak i ekonomiki przyszłych inwestycji związanych z gospodarką odpadami promieniotwórczymi.

Jeżeli dalsze analizy potwierdzą, że odpowiednią ochronę biologiczną można zapewnić przy mniejszym zagęszczeniu bentonitu, możliwe będzie bardziej efektywne projektowanie systemów izolacyjnych.

Nie oznacza to rezygnacji z rygorystycznych wymagań bezpieczeństwa. W przypadku odpadów wysokoaktywnych konieczne jest bowiem uwzględnienie wielu czynników, w tym trwałości pojemników, właściwości skał, przepływu wód podziemnych i zmian zachodzących w składowisku przez bardzo długi czas.

Znaczenie badań dla polskiej energetyki jądrowej

Odkrycie może być istotne również z perspektywy Polski, która przygotowuje się do budowy pierwszej elektrowni jądrowej. Rozwój energetyki atomowej będzie wiązał się z koniecznością stworzenia długoterminowego systemu gospodarowania odpadami promieniotwórczymi, w tym rozwiązania kwestii ostatecznego składowania zużytego paliwa jądrowego.

Badania z udziałem polskiej naukowczyni pokazują, że odpowiedni dobór i zagęszczenie naturalnych materiałów izolacyjnych może zwiększać bezpieczeństwo składowisk, a jednocześnie stwarzać możliwości ograniczenia kosztów ich budowy.

Wyniki eksperymentu stanowią kolejny krok w opracowywaniu technologii, które mają chronić środowisko przed uwolnieniem substancji promieniotwórczych przez setki tysięcy lat.