4 Tekniske løsninger for lagring og deponering

4.1 Underliggende prinsipper

I denne rapporten defineres et lager som en midlertidig løsning som vil kreve kontinuerlig overvåkning og som forutsetter at materialet blir fjernet på et senere tidspunkt. Et deponi regnes derimot som en permanent løsning som ikke vil være avhengig av institusjonell kontroll etter at det er stengt.

Til dags dato har ingen land i praksis iverksatt en endelig strategi for permanent deponering av høyaktivt avfall. Foreløpig lagres alt avfallet, enten som brukt brensel slik det kommer fra reaktorene eller som restprodukt etter reprosessering, i påvente av at man finner et sted for endelig deponering av avfallet. I dette arbeidet er noen land kommet lengre enn andre. Finland har eksempelvis bestemt hvordan og hvor avfallet skal deponeres, mens andre land enda ikke har igangsatt arbeidet med en strategi for deponering.

Fordelen med fortsatt lagring av høyaktivt avfall er at en holder mulighetene åpne for andre håndteringsløsninger i fremtiden. Problemet er derimot at lagring er avhengig av kontinuerlig overvåkning og vedlikehold. Ansvaret for dette vil ved en mangeårig lagringsperiode overføres til fremtidige generasjoner. En kan ikke forutsi eller formode at stabiliteten i samfunnet i fremtiden vil være slik at dette blir tatt hånd om. Det er derfor internasjonal konsensus om at den langsiktige strategien for håndtering av høyaktivt avfall skal være deponering, det vil si forvaring som kan forsegles og ikke krever varig overvåkning eller vedlikehold. OECD Nuclear Energy Agency (NEA) har uttrykt det slik at ”fra et etisk standpunkt, inkludert langsiktige sikkerhetsbetraktninger, er vårt ansvar for fremtidige generasjoner bedre ivaretatt med en permanent deponeringsstrategi enn ved tiltro til lagre som krever overvåkning, langsiktig vedlikehold, og som kan bli forsømt av fremtidig samfunn hvis stabilitet ikke kan formodes” (OECD/NEA, 1995) 1

Mange land har imidlertid lagt vekt på muligheten for å kunne hente opp avfallet igjen etter deponering. Dette var nevnt i forbindelse med etiske aspekter ved deponering i kapittel 3.6.

Uansett valg av løsning for deponi vil en lengre mellomlagringsperiode være en nødvendig del av enhver nasjonal strategi for behandling av bestrålt brensel. Tekniske betraktninger krever en kjøletid på flere tiår for å redusere varmeproduksjon i brenselet før det kan deponeres. Mellomlagring kan dermed strekke seg over 50 til 100 år (IAEA, 1995 b).

4.2 Tidlig fase lagring

Når brenselet tas ut fra reaktoren, produserer det fortsatt mye varme og gir fra seg intens og gjennomtrengende stråling. Lagringssystemet for den første lagringen er alltid en integrert del av reaktoranleggets design og går under betegnelsen AR-lager (At Reactor).

Disse lagrene er som oftest vannbassenger som skaper de riktige betingelser for kjøling og skjerming, og brenselet lagres her i alt fra noen hundre dager, til flere år, eller i enkelte tilfeller gjennom hele reaktorens operative levetid. På grunn av en rekke politiske, økonomiske og tekniske faktorer har imidlertid denne fasen i brenselsyklusen ofte vært forlenget i påvente av en endelig løsning for håndtering av det brukte brenselet. Flere land har blant annet holdt mulighetene åpne for enten å velge en åpen syklus, det vil si lagring og deponering av brukt brensel, eller en lukket syklus med reprosessering av brenselet. For å unngå at kapasiteten på AR-lagrene skal bli en begrensende faktor for kjernekraftvirksomheten, har mange lagre flere ganger blitt utvidet for å kunne håndtere det brukte brenselet i mye lengre tid enn først forventet.

4.3 Mellomlagring

4.3.1 Hensikt

Avhengig av kapasiteten på AR-lagrene kan brenselet, etter at det er noe nedkjølt, flyttes til mellomlagre som er plassert borte fra reaktorene, såkalte AFR-lagre (Away From Reactor). Disse kan være lokalisert i nær tilknytning til reaktorene eller ved en annen lokalitet. Valget av denne mellomlagringsløsningen må ta hensyn til blant annet brenselsvolumer, behov for kondisjonering av brensel, transport, radiologisk sikkerhet, allmennhetens aksept, kostnader, lokalisering med mye mer.

AFR-lagre er bygget med et lengre tidsperspektiv for øyet, og skal vanligvis fungere som løsninger i 50-100 år for videre nedkjøling av brenselet og i påvente av at det etableres permanente deponiløsninger. Flere land, f.eks. USA, Japan, Sverige og Nederland, har nå bygget sentrale mellomlagre for sitt bestrålte brensel (POST, 1997).

Dersom det besluttes å opprette et nytt lager, må det tas en prinsipiell avgjørelse om det skal anvendes våt eller tørr lagring.

4.3.2 Våtlagring

Våtlagring har vært den tradisjonelle metoden for lagring av bestrålt brensel, og de fleste AR-lagre benytter denne metoden fordi det er spesielt velegnet til kjøling av brensel. Teknologien er enkel og velprøvd, og lagringsmetoden gjør brenselet lett tilgjengelig for identifisering og inspeksjon. Bassengene er vanligvis laget av betong med en forseglende membran eller en foring av rustfritt stål.

Vannbassenglagring krever aktive systemer for å sikre at de fungerer som forutsatt. Vannet må sirkulere gjennom filter og ionebyttere, og vannkvalitet må være høy for å hindre korrosjon av brenselskapsling. Dette krever operasjon, kontinuerlig overvåking og vedlikehold av et antall systemer.

Investeringene som er nødvendig for bygging og drift av denne lagertypen er store og de blir mest kostnadseffektive ved lagring av store brenselsmengder. Det finnes mange eksempler på velfungerende bassenglagring. Finland anvender våtlagring for sitt AFR lagring ved TVO anlegget, og Sverige har valgt våtlagring til sitt sentrale mellomlager (CLAB). De største bassengene finnes ved reprosesseringsanleggene ved La Hague og Sellafield, med en kapasitet på opptil 10.000 tonn brensel.

I 1992 var AFR -kapasiteten i IAEA's medlemsland 53.795 tonn brukt brensel. Av dette var ca. 50.000 tonn i våtlager og resten i tørrlager. Våtlagerkapasiteten inkluderte bassengkapasitet ved reprosesseringsanleggene (IAEA, 1995 b).

4.3.3 Tørrlagring

I takt med det økende behovet for mellomlagringsløsninger har tendensen beveget seg mot tørrlagring av brensel. Tørrlagring baserer seg på passive systemer som ikke stiller de samme krav til operasjon, kontinuerlig oppfølging og vedlikehold som de aktive systemene for våt lagring er avhengig av. Korrosjonsproblematikken ved langtidslagring er betydelig redusert, og det skapes ikke store mengder sekundæravfall som for eksempel brukte filter og ionebyttermasse (IAEA, 1991). Driftskostnadene for disse lagrene er lavere enn ved våtlagring og de er enklere å avvikle når de skal stenges.

Det finnes flere tørre, passive lagringssystemer i bruk i dag. Disse inkluderer både store, massive strukturer som fungerer som ett stort lager, og mindre, individuelle systemer der den totale lagerkapasiteten utgjøres av mange enheter.

Hvelv: Et hvelv er en forsterket betongkonstruksjon med mange rader av lagringslommer. Brenselet pakkes i tette beholdere før innlasting i lagringsrørene som til slutt lukkes med en skjermingsplugg (deksel). Betongen fungerer som strålingsskjerm og kjøling oppnås enten ved luftsirkulering eller ved naturlig konveksjon og konduksjon (sirkulasjon og ledning av varme).

Hvelvkonseptet var en av de første tørrlagringsløsningene som ble utviklet, og den anvendes blant annet i USA, Frankrike og UK. I Tyskland ble en slik løsning utpekt som et konkurransedyktig alternativ for brenselsmengder over 300 tonn.

Kostnadene forbundet med lagring i hvelv er relativt høye for lagere med liten kapasitet, mens de relative kostnadene minsker når lagringskapasiteten øker. For et stort hvelv kan kostnadene per brenselsenhet sammenlignes med kostnadene for lagring i betongsiloer.

Tørre brønner: Istedenfor å lage en betongkonstruksjon med lagringslommer, kan det lages brønner direkte i grunnen. Den passive kjølingen i dette tilfelle benytter spredning av varme gjennom den omkringliggende grunnen for deretter å overføre varmen til atmosfæren. Grunnen fungerer også som god skjerming mot stråling. Ved en slik løsning for lagring må det fokuseres spesielt på at brønnene er godt drenert og tørre. Bestrålt brensel som lagres i brønner er gjerne pakket i tette beholdere før innlasting i brønnen.

Siloer: Siloer kan sees på som små individuelle hvelv der det brukte brenselet lagres i mindre, uavhengige enheter. Brenselet er pakket i tette beholdere før innlasting. Siloen er en betongsylinder med ett sentralt lagringsrom. Noen siloer benytter naturlig konveksjon ved utsiden av betongoverflaten som kjøling. Siloer egner seg først og fremst til lagring av brensel med meget lav varmeproduksjon. Noen silodesign inneholder et passivt, internt kjølesystem, som for eksempel kjølekanaler i betongkonstruksjonen, og benytter den naturlig strømningen gjennom kanalene som kjøling.

Betongsiloer er mye anvendt i Canada og USA. Typisk lagringskapasitet i en silo er 5 til 10 tonn.

Metallflasker: Lagring i flasker er utviklet gjennom lang erfaring med transport av brukt brensel i flasker. Utstyr og metoder for håndtering og lasting av slike flasker er godt kjent og utprøvd i hele den nukleære industrien. Noen flasker, såkalte "dual purpose casks", er lisensiert for både lagring og transport, noe som begrenser håndtering av brenselet og dermed kan være både dose- og kostnadsbesparende. Det arbeides også med å utvikle flasker som skal kunne tilfredsstille krav til både lagring, transport og deponering, såkalte "multipurpose casks" (MPC). En MPC består av en metallbeholder med forskjellige ytterbeholdere som er tilpasset de forskjellige trinn i håndteringsprosessen.

Metallflasker er i bruk i blant annet Belgia, Tyskland, Sveits, USA og Japan. CASTOR flasken som er utviklet i Tyskland og er i bruk i flere land, er et eksempel på en ”dual purpose cask”.

På grunn av at flasken kan standardiseres, krever systemet en lav inngangsinvestering sammenlignet med bygging av et stort enkeltstående lagerbasseng eller hvelv. Dette er derimot en dyr løsning i lengden for lagring av store mengder brensel. Lagring i flasker er ofte den foretrukne løsning der det er små mengder brensel og store, initielle kapitalkostnader er uønsket. Typisk lagerkapasitet for en flaske er 1 til 5 tonn.

4.3.4 Mellomlagring i fjellhall

Et mellomlager i en fjellhall har en rekke fordeler med hensyn til fysisk sikring både mot terrorisme og bomber under krig. I forbindelse med deponiet for lav og middelaktivt avfall i Himdalen ble det valgt en løsning med selvdrenerende fjellhaller som ikke er avhengig av tilsyn eller vedlikehold. Fordi mellomlagre for bestrålt brensel i praksis vil få en brukstid på 50 til 100 år er det viktig at driftsomkostningene inklusive vedlikehold blir lave uten at det innebærer en risiko for miljø. Hallen i Himdalen er blitt bygget med et fall ut mot åpningen slik at lekkasjer av vann inn i hallene blir drenert ut. Deponiavfallet er plassert i sarkofager av betong som står på drenerende masse.

Lignende prinsipper kan brukes for et mellomlager for bestrålt brensel, der brenselet lastes inn i en betongkonstruksjon som skaper de nødvendige skjermingsforhold. Eventuelle sprekker i fjellet over konstruksjonen må tettes godt slik at det fungerer best mulig som en tett takbarriere. Samtidig er det gunstig at vannet i fjellet får komme ut på gulvet og veggene i fjellhallen fordi det motvirker dannelse av høye vanntrykk. Det er avgjørende at brenselet holdes tørt.

4.4 Deponering

4.4.1 Utviklingen i andre land

Internasjonal forskning og utvikling på deponeringsløsninger har foregått over flere tiår. Det eksisterer en stor kunnskapsmengde innen organisasjonen IAEA og i en rekke enkeltland som produserer energi fra kjernekraftverk. En mer detaljert beskrivelse av status for lagring og deponering av høyaktivt avfall i en del av disse landene er gitt i Vedlegg 3.

Det er internasjonal enighet om at dyp geologiske deponering er den beste løsningen for plassering av høyaktivt avfall. Geologiske formasjoner som foretrekkes er de hvor bergartene har liten permeabilitet, slik som bergsalter, enkelte skifere og vulkanske askelag og homogene granitter.

De tekniske løsningene som har vært studert er utgraving av fjellrom i omtrent 400 til 800 m dybde (enten på land eller under sjøbunnen med inngang fra land) og boring av brønner (enten fra overflaten eller fra gruver og tunneler). Boring av dype brønner fra overflaten har primært vært vurdert for mindre mengder avfall. Alle disse løsningene avhengige av forutsigbar stabilitet av geologiske og hydrologiske forhold over meget lang tid, det vil si hundretusener av år.

Tidlig på sekstitallet besluttet Tyskland at atomavfallet skulle plasseres i dype geologiske deponier. Nær byen Gorleben har det foregått undersøkelser av dype saltformasjoner siden 1979. Undersøkelser av geologiske og hydrologiske forhold i og omkring saltformasjonene pågår fortsatt med sikte på å oppnå tillatelse for deponering. Det er i prinsippet teknisk mulig å benytte saltdomer som finnes på den norske kontinentalsokkelen til et slikt formål. Etter de sterke norske protestene mot forslag til deponering på britisk kontinentalsokkel er det derimot svært lite sannsynlig at en slik løsning er politisk og samfunnsmessig ønskelig eller mulig.

USA har valgt å legge sitt deponi i fjellet tørt over grunnvannsspeilet. Det tilsvarer i prinsippet samme måte som Norge har valgt for deponering av vårt lav- og mellomaktive avfall i Himdalen, selv om deponeringen i USA vil få en mye større målestokk. I 1998 ble Yucca Mountain i staten Nevada anbefalt av Department of Energy's Office of Civilian Radioactive Waste Management som et egnet sted å bygge et deponi for det høyaktive avfallet. Deponiet vil ligge i et fjell bestående av vulkansk aske som er veldig tett, og minst 200 m under bakken, se også Vedlegg 3.

Det har lenge vært et nært samarbeid mellom Canada, Sverige og Finland om å utvikle deponiløsninger for høyaktivt avfall, og alle landene har utviklet løsninger som myndighetene i de enkelte land og ekspertene mener er teknisk akseptable. Finland har nå tatt en prinsipiell beslutning om å bygge et deponi i Eurajoki der det fra før finnes et kjernekraftanlegg. Beslutningen beror fortsatt på at videre undersøkelser bekrefter at de riktige geologiske forutsetningene er tilstede. Det endelige stedsvalget gjenstår fortsatt i Sverige, og videre detaljerte studier av de lokale geologiske forholdene for noen få alternativer gjennomføres.

Det foregår forskning i flere land for å redusere mengden av de radioaktive materialene eller å omdanne de radioaktive stoffene til mindre farlige forbindelser. Dette er eksempelvis omtalt under Australia i Vedlegg 3. Slike nye teknologier vil på sikt kunne få konsekvenser i form at det oppstår nye varianter av hvordan brukt kjernebrensel behandles og deponeres. Det er likevel stor usikkerhet knyttet til denne utviklingen, og man kan derfor ikke basere seg på at fremtidige teknologier vil løse dagens problemer.

4.4.2 Deponi i granittiske bergarter

Canada, Sverige og Finland, som delvis har svært lik geologi, har valgt deponiløsninger i mest mulig homogene granitter. På bakgrunn av de store forskningsprogrammene som har vært gjennomført i disse tre landene er kunnskapen om vannets bevegelse i granittiske bergarter (permeabiliteten) økt kraftig. Også forandringer i permeabiliteten mot dypet og som en konsekvens av overflatetopografi har vært nøye studert. I de sentrale delene av Fennoskandia (Finland og Skandinavia) varierer landhevingen i dag mellom 0 og 8 mm per år. Denne bevegelsen er av stor betydning for strømningen av vann i fjell.

Det er blitt gjennomført omfattende forskning på vanntransport i bergarter og på kjemiske reaksjoner mellom bergarter og vann. Et viktig prinsipp for deponering er å omgi avfallet med flere barrierer slik at hvis det skjer lekkasjer gjennom én barriere, så finnes det andre barriere som vil hindre en eventuell videre bevegelse av radioaktiviteten. Den ytterste barrieren er fjellet hvor avfallet deponeres. En god indikasjon på at det er lite bevegelse av vannet i fjellet er at vannet er blitt lagdelt med saltere (tyngre) vann på 300 til 500 m dybde. Ved å velge deponering i fjell med svært gammelt og salt grunnvann vil en kunne forhindre at forurensninger skal kunne strømme videre og nå opp til biosfæren. Mellom innkapslingen av avfallet og fjellet benyttes det tørr bentonittleire. Denne leiren har meget liten permeabilitet og blir faktisk enda tettere når den kommer i kontakt med vann på grunn av svelling. Leiren har også overflateegenskaper slik at enkelte ioner oppløst i vann blir bundet til mineraloverflaten. Derfor vil leiren fungere både som en fysisk barriere og et filter.

Den innerste barrieren er selve kapslingen rundt avfallet. Det har vært utført en betydelig forskningsinnsats også på slik kapsling. En løsning er at den indre kapslingen består av stål omgitt av for eksempel kopper, dette er eksempelvis fortrukket av Sverige og Finland. Det forskes imidlertid på alternativer, slik som bruk av titanmetall.

Som nevnt tidligere er et argument som har vært fremført mot bruk av deponi som løsning at mulighetene for rensing og gjenbruk av avfallet derved bortfaller. Man kan ikke se bort fra at ny teknologi kan føre til at avfallet kan utnyttes på en god måte. Kanskje vil fremtidige generasjoner kunne se på oss med undring hvis vi deponerer en nyttig energiressurs så dypt nede i jordskorpen at man ikke kan få den opp igjen. Det arbeides derfor med løsninger som muliggjør at avfallet blir lettere tilgjengelig inntil at deponiet blir endelig forseglet.

Sverige, Finland og Canada satser som nevnt på deponiløsninger i stabile granitter i grunnfjellet. Vi har områder på Østlandet hvor geologien og topografien er svært lik den en har i disse landene, og Norge har granittisk grunnfjell som sannsynligvis kan egne seg til formålet. Vi kan derfor utnytte mange av forskningsresultatene disse landene har kommet frem til i planleggingen av et eventuelt deponi i Norge. Det vil likevel kreves detaljert kartlegging av flere alternativer for deponering før et endelig stedsvalg kan foretas. Kravene til stabilitet og homogenitet i bergarten må blant annet undersøkes ved hjelp av boringer.

Følgende deponiløsninger anses å være spesielt relevante i forhold til norsk geologi:

• Fjellhaller

• Borehullsløsninger

I Sverige og Finland er det planlagt fjellhaller på ca. 500 m dyp under overflaten. Denne metoden er allerede beskrevet foran og kan gjennomføres med små modifikasjoner i Norge. Fordi Norge har så lite avfall blir imidlertid kostnaden for utsprenging av tunnelen ned til fjellhallen svært stor sett i forhold til avfallsmengden som skal deponeres.

En annen løsning er å lage borehull ned til mellom 500 til 2000 m dyp. Endelig valg av nødvendig dybde vil være avhengig av bergart, bergtrykk, lagdeling i grunnvannet og termisk gradient. Samtidig som vannets strømning i fjellet avtar med dypet, øker grunnvannets saltinnhold. Dette innebærer i prinsippet at vannet på store dyp er nærmest stillestående, og vannutskiftning med overflaten er svært begrenset. Et deponi på store dyp kan dermed ha fordeler fremfor et deponi på mindre dyp. Men det store dypet medfører også problemer. Høye temperaturer og bergspenninger samt høy saltholdighet gjør at kapslingene kan bli mer utsatt for lekkasjer ved økende dyp. Samtidig vil selvfølgelig også borekostnadene øke vesentlig med dybden.

4.5 Andre alternativer

Det er foreslått en rekke andre mer eller mindre seriøse alternativer for deponering av høyaktivt avfall. For at ikke noe alternativ skal være utelatt nevnes disse nedenfor.

Innlandsis

Deponering i eller under innenlands isbreer har vært foreslått, men har aldri blitt studert inngående. Det er bare iskappen på Sydpolen og på Grønland som vil tilfredsstille kravene til en nødvendig lagringstid i størrelsesorden hundretusener av år. Avfallet må i så tilfelle lagres på et skille i isen hvor den horisontale bevegelsen i breen er minst mulig og hvor derved mulig oppholdstid i breen blir lengst mulig. Før eller senere vil imidlertid avfallet bli eksponert ved brefronten eller komme frem med vann som strømmer i underkant av breen.

Det er åpenbart at en slik løsning er lite gunstig med tanke på at det kan skje vesentlige klimatiske endringer. Det er lite realistisk å benytte Sydpolen eller Grønland til lagring av norsk radioaktivt avfall.

Havbunnen

Studier av hvordan brukt brensel kan deponeres på havbunnen er utført både i USA og i Europa. Man kan tenke seg at innkapslet brensel plasseres i en torpedoliknende beholder som slippes ned i vannet. Beholderen er utformet slik at den vil trenge seg ca. 50 m ned i de myke bunnsedimentene, hvorpå disse sedimentene vil slutte seg om beholderen. Havsedimentene er stabile, og det brukte brenselet forventes å holde seg isolert over svært lang tid. Når eventuelt radioaktive stoffer når frem til selve havbunnen vil de spre seg med svært lave konsentrasjoner i havet.

Verdenshavene tilhører FN, og medlemslandene har kommet frem til avtaler som forbyr å bruke havet eller havbunnen som dumpingplass. Å plassere et deponi på norsk sokkel kunne dessuten komme i konflikt med vitale norske fiskeriinteresser. Å bruke havbunnen som deponi for brukt reaktorbrensel er derfor lite aktuelt for Norge.

Et annet alternativ er at brenselet deponeres i borehull i dypere formasjoner i subduksjonssoner. Det vil si plassering langs plategrenser i jordskorpen hvor en plate blir skjøvet under en annen plate. Ved å plassere avfallet i platen som synker ned i mantelen vil også avfallet tilføres mantelen og etterhvert smeltes opp. Ingen har studert subduksjonsprosessene godt nok til å kunne modellere hva som vil skje med avfallet på vei ned til mantelen. De fleste aktive subduksjonsonene finnes dessuten i Stillehavet. I Atlanterhavet foregår det primært platespredning, så denne løsningen er også av denne grunn lite realistisk for Norge.

Verdensrommet

Ingen land har juridisk suverenitet over noen del av verdensrommet og det er forbundet med både etiske og juridiske problemer å skyte radioaktivt avfall ut i verdensrommet med raketter.

Rakettutskytning av brukt reaktorbrensel til det ytre rom har vært foreslått en rekke ganger. Amerikanske studier fra 70- og 80-tallet viste at utskytning til verdensrommet kan praktisk gjennomføres. Ulykken med romfartøyet Challenger i 1986 satte imidlertid en effektiv stopper for spekulasjoner om denne typen løsninger. Risikoen for en ulykke er for stor, og kostnadene blir svært høye.

Ny teknologi - transmutasjon

Det foregår en teknologisk utvikling som på sikt kan forandre våre holdninger til radioaktivt avfall. En slik løsning er transmutasjon. Dette er en kjernefysisk prosess som endrer et nuklide til en annen variant. Det er mulig å transformere et radionuklid med lang halveringstid til enten stabile nuklider eller til nuklider med kort halveringstid. Det foregår forskning innen dette feltet i USA, Japan og Frankrike.

En teknologi for transmutasjon må knyttes til anlegg for reprosessering av avfall, og foreløpig er ikke teknologien kommet langt nok for separasjon av nuklidene eller for utvikling av nye typer avanserte reaktorer som vil være nødvendig. I dag er denne metoden ikke et aktuelt alternativ til geologisk deponering. Man kan imidlertid ikke se helt bort fra at slik teknologi vil bli utviklet innen det norske avfallet skal deponeres.