44 - LAS/ANS

Simposio LAS/ANS 2007 / 2007 LAS/ANS Symposium
XVIII Congreso Anual de la SNM / XVIII SNM Annual Meeting
XXV Reunión Anual de la SMSR / XXV SMSR Annual Meeting
Copatrocinado por la AMEE / Co-sponsored by AMEE
Cancún, Quintana Roo, MÉXICO, del 1 al 5 de Julio 2007 / Cancun, Quintana Roo, MEXICO, July 1-5, 2007
Conceptos de Diseño de disposición definitiva para
Desechos Radioactivos de Alto Nivel
Verónica E. Badillo-Almaraz ∗, Gustavo Alonso Vargas
Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares
Carr. México-Toluca S/N (Km. 36.5) La Marquesa, Ocoyoacac
vbadillo@nuclear.inin.mx; galonso@nuclear.inin.mx.
Resumen
Es por demás sabido la importancia de encontrar una solución para el manejo y
disposición de desechos radioactivos de todo nivel. Sin embargo, la polémica se centra en
la gestión de desechos radioactivos de alto nivel y el combustible gastado, olvidando que
los volúmenes más importantes de desechos se generan en las categorías de desechos de
bajo nivel o de muy bajo nivel. Dependiendo de los desechos que serán confinados y de
los costos, existen varias modalidades tecnológicas de disposición definitiva, en función
de la profundidad de confinamiento. El concepto de almacenamiento geológico profundo,
opción tecnológica propuesta hace más de 40 años, es un concepto de aislamiento de
desechos de vida media larga colocados en una instalación subterránea profunda excavada
en formaciones geológicas que se caracterizan por su alta estabilidad y su bajo flujo de
agua subterránea. En las últimas décadas, se han registrado innumerables progresos en
aspectos técnicos y científicos del almacenamiento geológico, haciéndola una solución
técnica confiable respaldada con muchos años de trabajo científico realizado por
numerosas instituciones en el mundo entero. En este trabajo se revisan los conceptos de
diseño que aplican algunos países para la disposición de desechos de alto nivel que
liberan calor y las diferentes formaciones geológicas que han sido consideradas para el
almacenamiento de este tipo de desechos.
1. INTRODUCCIÓN
Los materiales radioactivos son utilizados en diversas áreas de la actividad humana tales como la
medicina, la industria, la investigación, la enseñanza y la producción de energía. La energía
nuclear ofrece múltiples ventajas: es competitiva, segura, y garantiza el abastecimiento en energía
evitando que se acaben las reservas de combustibles fósiles y limitando las emisiones de gas
carbónico. El eslabón que falta al final de la cadena es una solución confiable al destino de los
desechos radioactivos incluyendo al combustible nuclear una vez que ha sido aprovechado; una
solución que sea aceptada por los ciudadanos, económica y sin peligro para el medio ambiente ni
para la salud.
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La clasificación de los desechos radioactivos es el primer paso para simplificar y asegurar una
solución técnica adecuada contra los riesgos asociados a las distintas categorías de desechos. Se
ha desarrollado un esquema de clasificación de desechos radiactivos de acuerdo a sus
propiedades físicas, químicas y radiológicas. La clasificación considera un amplio espectro de
desechos radiactivos, desde desechos de alto nivel incluyendo al combustible nuclear gastado
cuando este sea considerado como desecho radiactivo, hasta desechos conteniendo niveles de
radioactividad tan bajos que no puedan ser considerados como radioactivos y que por lo tanto
puedan ser almacenados sin ningún control de regulación nuclear. Todos los tipos de desechos
radioactivos necesitan ser manejados de forma muy segura y eventualmente ser almacenados en
soluciones técnicas apropiadas y con niveles apropiados de control, los cuales dependerán de las
concentraciones de radionúclidos presentes, sus vidas medias y sus formas físicas o químicas y
sus distribuciones dentro del desecho.
Últimamente una clasificación basada en requerimientos para la disposición segura de desechos
radioactivos parece ser de amplia aceptación y gran utilidad, la cual contempla además de los
niveles de radioactividad y contenido de radionúclidos, criterios como liberación de calor,
estabilidad física y química, contenido de químicos flamables o tóxicos. Las categorías de
desechos para efectos de almacenamiento, se pueden combinar en tres principales grupos:
Vida media larga, nivel alto
Vida media larga, nivel bajo e intermedio
Vida media corta, nivel bajo e intermedio
Sea cual sea la clasificación adoptada, existen dos parámetros importantes a considerar en el
destino final de los desechos radioactivos: los niveles de radioactividad y los periodos de
decaimiento. Los niveles de radioactividad van desde concentraciones muy bajas en
radionúclidos hasta concentraciones elevadas; conforme el nivel de radioactividad se eleva, se
incrementa la necesidad de aislar el desecho radioactivo de la biosfera. Los periodos de tiempo a
su vez van desde periodos ultracortos (segundos) hasta periodos de tiempo muy largos (millones
de años). En consecuencia, los desechos radioactivos pueden almacenarse de forma temporal y
luego ser liberados, pueden ser depositados en instalaciones en superficie o de baja profundidad o
bien aislarlos de la biosfera en formaciones geológicas profundas. Este trabajo cubre los
principios básicos asociados con el estado del arte de la disposición del combustible gastado y
otros desechos de alto nivel en el almacenamiento geológico profundo.
Actualmente existe toda una experiencia internacional que se ha ido formando en la materia, de la
que se desprende soluciones factibles a largo plazo para el manejo y disposición de desechos
radioactivos de todo nivel. Sin embargo, la polémica se centra en la gestión de desechos
radioactivos de alto nivel y el combustible gastado, olvidando que los volúmenes más
importantes de desechos se generan en las categorías de desechos de bajo nivel o de muy bajo
nivel.
Dependiendo de los desechos que serán confinados y de los costos, existen varias modalidades
tecnológicas de disposición definitiva, en función de la profundidad de confinamiento. En este
trabajo se revisan los conceptos de diseño innovadores que aplican algunos países de tecnología
ya probada para la disposición de desechos de nivel alto así como las formaciones geológicas en
las cuales se ha proyectado la construcción de estas instalaciones.
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2. DEFINICION DE ALMACENAMIENTO GEOLOGICO
El concepto de almacenamiento geológico profundo, opción tecnológica propuesta hace más de
40 años, es un concepto de aislamiento de desechos de vida media larga colocados en una
instalación subterránea profunda excavada en formaciones geológicas que se caracterizan por su
alta estabilidad y su bajo flujo de agua subterránea. En las últimas décadas, se han registrado
innumerables progresos en aspectos técnicos y científicos del almacenamiento geológico,
haciéndola una solución técnica confiable respaldada con muchos años de trabajo científico
realizado por numerosas instituciones en el mundo entero [1].
Un sistema de almacenamiento geológico profundo, diseñado para aislar los desechos
radioactivos y protegerlos tanto de las actividades humanas como de los procesos naturales, se
puede definir como una combinación de una serie de barreras que incluye desde los desechos
sólidos empacados y acondicionados hasta la instalación excavada o perforada a una profundidad
de algunos cientos de metros en un ambiente geológico estable. La formación geológica en la
cual se alojan los desechos se conoce como la “roca hospedante” y constituye por lo general, la
barrera de aislamiento más importante. De aquí surge el sistema llamado “multibarreras” que es
una combinación de las barreras de ingeniería con las barreras geológicas.
Un sistema de almacenamiento geológico, debe cumplir con diferentes funciones a través del
tiempo [1].
a) Aislamiento de los desechos radioactivos para protegerlos de los procesos dinámicos que
ocurren en la superficie.
b) Protección de la biosfera de la radioactividad emitida por los desechos, la cual está en su
máximo en los primeros cientos de años de almacenamiento.
c) Aislamiento de las actividades humanas: la disposición profunda de los desechos hace
menos probable la intrusión humana lo que resultaría en una exposición a la
radioactividad, ya sea de forma directa (al excavar los desechos) o de forma indirecta (al
movilizarse los componentes de los desechos).
d) Retención de radionúclidos: durante los primeros cientos o miles de años o quizás mas, la
retención de los radionúclidos de vida media corta debe ser completa en las primeras
barreras, las llamadas barreras de ingeniería.
e) Retardar o limitar la velocidad y en consecuencia la concentración de radionúclidos que
eventualmente se liberarían de un sistema de barreras de ingeniería hacia el medio
ambiente geológico y que inevitablemente serían transportados a la biosfera.
f) Dispersar y diluir los radionúclidos a través de las fases minerales que forman las barreras
geológicas y en cuerpos de agua subterráneos o en superficie.
El equilibrio entre estas funciones se le llama “concepto de seguridad” y varía de sitio a sitio y
de concepto a concepto. Estas funciones se cumplen al seleccionar un ambiente geológico
adecuado para albergar el almacén en concordancia con el diseño de la instalación y los
conceptos de las barreras. Un ambiente geológico viable para la disposición geológica de
desechos radioactivos debe poseer las siguientes propiedades:
•
Estabilidad geológica de muy largo plazo (millones de años), en términos de sismicidad,
flujo de calor, fallas y deformaciones.
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•
•
•
Bajo contenido y flujo de agua subterránea a la profundidad del depósito, lo cual puede
demostrar que la formación es estable por periodos de hasta algunas decenas de miles de
años.
Condiciones geoquímicas e hidroquímicas estables caracterizadas por un ambiente
reductor y una composición definida que traduce un equilibrio entre el agua y los
minerales que forman las rocas.
Buenas propiedades de ingeniería que permitan fácilmente la construcción de la
instalación, así como su operación por periodos de tiempo que se puedan medir en
décadas.
Una buena selección del medio geológico es una buena protección para las barreras de ingeniería,
protegiéndolas de las fuertes fluctuaciones debido a cambios climáticos inevitables y a cambios
impredecibles en el uso de suelo.
3. CONCEPTOS DE DISEÑO EN DIFERENTES FORMACIONES GEOLOGICAS
Efectivamente, los depósitos geológicos son una combinación de barreras naturales y artificiales
las cuales deberán retener completamente radionúclidos de vida media corta altamente
radioactivos hasta que su radioactividad haya decaído a niveles insignificantes. Este periodo
puede tomar desde cientos hasta miles de años. Para poder lograr este mismo cometido con los
radionúclidos de vida media larga, definidos por la OIEA como aquellos cuya vida media es
mayor de 30 años, el sistema de confinamiento de desechos deberá funcionar por periodos
extremadamente largos.
La mayoría de los sistemas de disposición geológica que se encuentran en investigación
involucran la excavación del depósito a una profundidad de varios cientos de metros en una roca
hospedante apropiada en un ambiente geológico adecuado. A la profundidad deseada, se excavan
pozos verticales o túneles de acceso o una combinación de ambos (Olkiluoto, Finlandia [2]). A
esta profundidad, se excavan galerías horizontales en donde se colocan los paquetes o bloques de
desechos, de forma tal que estarán rodeados por el material amortiguador seleccionado. Aun
después de sellar el depósito y después de largos periodos de tiempo, el bloque de desechos
permanece técnicamente recuperable dependiendo de su longevidad e integridad.
El diseño del depósito depende del tipo de desecho y del ambiente geológico. Grandes volúmenes
de desechos de vida media larga con generación de calor despreciable, se acondicionan en
paquetes de volúmenes (∼1-10 m3). El concepto para almacenar estos paquetes de desechos
involucra la construcción de cavernas con dimensiones de altura ∼5m y de ancho 20 m, a
condición de que las propiedades geotécnicas de la roca huésped permitan la excavación de tales
oberturas. La disposición de desechos de alto nivel (HLW) o de combustible gastado (SF)
involucra paquetes de desechos más pequeños (con volúmenes del orden de 1 m3) colocados en
túneles, o en perforaciones en túneles, con diámetros desde ∼1 m hasta algunos metros. Sin tener
en cuenta el tipo de desechos o hasta para almacenar pequeñas cantidades de desechos, la
construcción de accesos y la abertura de pozos y túneles requiere la excavación de una instalación
subterránea, lo que trae como consecuencia la remoción de cientos y hasta miles de metros
cúbicos de roca, incluso de millones cuando se trata de programas extensos de almacenamiento
de desechos. Actualmente, se considera que los almacenes geológicos tienen dimensiones
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subterráneas que van desde algunos km2 hasta cuando mucho unos 20 km2, dependiendo del
inventario de desechos, de la liberación térmica y del diseño del depósito.
Se han diseñado almacenes geológicos profundos para todas las categorías de desechos, pero sólo
para algunos tipos de desechos, se han construido y hasta operado depósitos profundos en
algunos países: Alemania (Asse y Morsleben), Suecia (Forsmark), USA (WIPP). Mucho del
conocimiento específico que se tiene se ha adquirido de la caracterización de sitios potenciales
para albergar los desechos, de los estudios en laboratorios subterráneos de investigación y de la
operación de depósitos subterráneos para la disposición de varios tipos de desechos incluyendo
desechos peligrosos y desechos radioactivos de nivel bajo e intermedio (LILWs) así como de la
experiencia directa al realizar pruebas especificas (p.ej. hacer un túnel en arcillas plásticas en
Bélgica, perforar en seco en la sal o en la roca en Alemania y USA respectivamente).
Algunos de los conceptos diseñados para albergar desechos radioactivos de nivel bajo e
intermedio pueden ser adecuados para la disposición de desechos radioactivos de vida media
larga que generan cantidades mínimas de calor, sin embargo, los depósitos para HLW y
combustible gastado SF deben tomar en consideración la liberación de cantidades apreciables de
calor, generado por el decaimiento radioactivo de los radionúclidos contenidos en los desechos.
Muchos países están estudiando diferentes formaciones geológicas para el almacenamiento de
este tipo de desechos que generan calor. Algunos han desarrollado laboratorios de investigación
subterráneos, y otros han desarrollado diseños conceptuales de la instalación., que son lo que se
presentan a continuación, en función del tipo de formaciones geológicas en donde se piense
instalar el depósito.
3.1. Depósitos en Rocas Cristalinas
Rocas cristalinas es un término que se refiere a una gran variedad de materiales, incluyendo las
rocas ígneas y metamórficas y algunas rocas sedimentarias tales como limestones y sandstones.
Las rocas cristalinas se encuentran de forma abundante en la corteza terrestre y prácticamente
todos los países tienen disponibilidad de este tipo de rocas a varias profundidades.
Algunos tipos de rocas poseen propiedades físicas y químicas favorables como una gran
resistencia a la erosión. Este tipo de rocas se caracterizan por su permeabilidad intrínseca muy
baja; sin embargo la presencia de fisuras y fracturas hace que se incremente la permeabilidad de
la roca, incluso hasta niveles muy altos. Por lo tanto, una gran parte en la caracterización del sitio
consiste en el estudio de las fracturas y sus propiedades hidráulicas. También se han desarrollado
técnicas de rellenado y sellado para el control de la conductividad hidráulica de fracturas simples
o bien de un sistema de fracturas complejo.
Un número de países ha considerado las rocas cristalinas como un medio potencial para la
disposición de HLW y SF. Uno de los conceptos más detallados para la construcción de un
depósito profundo en este tipo de formaciones es el concepto KBS-3 desarrollado en Suecia el
cual se describe a continuación.
El combustible nuclear gastado se almacena en Clab, un almacén temporal central cerca de la
municipalidad de Oskarshamn, en donde se almacena durante 30-40 años, pero dada la elevada
actividad del combustible gastado y el periodo de tiempo del orden de 100,000 años, se necesita
otro modo de almacenamiento, por lo que la compañía SKB está planeando la construcción de un
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almacén definitivo para este tipo de desechos. El combustible gastado se encapsularía en
contenedores de cobre, los cuales serían transportados a un depósito profundo consistente de un
sistema de túneles horizontales a una profundidad de al menos 500 metros excavados en la roca
cristalina. Los túneles tendrían una longitud de 250 metros y estarían espaciados unos de otros a
una distancia de 40 metros. Los contenedores de cobre colocados en los túneles se rodearían de
bloques de bentonita compactada. Cuando las operaciones en el depósito hayan concluido, los
túneles y pozos se rellenan con una mezcla de roca triturada y bentonita (3).
3.2. Depósitos en sales
Las formaciones en sales poseen diferentes características atractivas como rocas hospedantes para
depósitos profundos. Poseen baja permeabilidad y contenido de agua extremadamente bajo.
Además de que son rocas que pueden ser fácilmente molidas y perforadas con las tecnologías
existentes y su elevada conductividad térmica permite la disipación del calor liberado por los
desechos.
El comportamiento termomecánico de la sal proporcionaría un mecanismo natural para el sellado
de cavidades y perforaciones. Las rocas de sal fueron el primer medio geológico sugerido para la
disposición de desechos de HLW.
Muchos países han considerado la posibilidad de usar formaciones geológicas en sal (Ase y
Morsleben en Alemania y WIPP en Nuevo México, USA). El programa en USA ha considerado
el depósito WIPP (Waste Isolation Pilot Plant), localizado al suroeste de Nuevo México en USA
y diseñado para albergar de forma definitiva desechos radioactivos de transuránicos provenientes
de actividades de defensa. Construido en una formación de sal, en un área geológica estable
caracterizada por una baja actividad sísmica, y un bajo flujo de agua subterránea, consiste de un
área de pruebas y un área de almacenamiento cubriendo un área de 775 m por 1560 m a una
profundidad de 660 m por debajo de la superficie.
3.3. Depósitos en rocas volcánicas (tuff)
Para el caso del combustible gastado, el sitio de Yucca Mountain ha sido propuesto para instalar
un almacén geológico de desechos radioactivos de alto nivel y combustible gastado. Este
depósito cubrirá una zona de 4.7 km2 y se localizará a una profundidad de 300 m en el seno de
una montaña de roca volcánica (tuff) y a 300 m por encima del nivel freático y consistirá de
instalaciones en superficie, construcciones subterráneas con rampas y pozos de acceso. El
principal componente en el diseño de la instalación es un sistema de paneles en donde se
colocarían los desechos. El combustible gastado se encapsularía en un empaque multicapas de
acero inoxidable y una aleación de níquel forrada con una capa de titanio.
Este sitio sirve en la actualidad como laboratorio subterráneo.
3.4. Depósitos en formaciones arcillosas
Las arcillas son los materiales sedimentarios mas abundantes Se presentan en una extrema
variabilidad en dimensiones, homogeneidad, composición del mineral y propiedades geotécnicas,
geoquímicas e hidráulicas. Cuando las capas están compuestas principalmente por arcillas y son
suficientemente espesas y homogéneas, entonces pueden ser roca hospedante favorable para
aislar los desechos radioactivos. Las formaciones arcillosas ofrecen baja permeabilidad, elevada
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capacidad de retención para la mayoría de los radionúclidos y alta plasticidad. Todas estas
propiedades contribuyen a un aislamiento confiable a largo plazo. Sin embargo, la elevada
plasticidad presenta dificultades de ingeniería dado que todas las aberturas en las arcillas
necesitan apoyos.
Varios países como Bélgica, Francia, Italia, Suiza y los USA han considerado la posibilidad de
utilizar formaciones arcillosas para la disposición de HLW y SF. En Bélgica, se ha desarrollado
un diseño conceptual para un depósito geológico en arcilla en el sitio de Mol de un espesor de
100m y a una profundidad por debajo de la superficie de entre 160 y 270 m. El depósito consiste
de una serie de túneles excavados en la sección central de la capa de arcilla. Los túneles estarían
soportados por una trabe de concreto; dos pozos de acceso son necesarios para la operación
segura del repositorio.
El concepto italiano consiste en colocar los desechos HLW en perforaciones profundas hechas
desde la superficie. La principal ventaja de una instalación de pozos profundos es que es
económica y de fácil operación, además los pozos se irían llenando conforme se vayan
necesitando. Sin embargo, un inconveniente es el relleno y sellado de los pozos. La secuencia de
operaciones es llenar, rellenar y sellar los pozos.
4. CONCLUSIONES
La disposición de desechos radioactivos en una formación geológica profunda es con la intención
de proporcionar el aislamiento suficiente, tanto de las actividades humanas como de los procesos
naturales dinámicos, que eventualmente provocarían la liberación de radionúclidos al ambiente.
Un sistema de almacenamiento geológico profundo se puede definir como una combinación de
una serie de barreras que incluye desde los desechos sólidos empacados y acondicionados hasta
la instalación excavada o perforada a una profundidad de algunos cientos de metros en un
ambiente geológico estable. La formación geológica en la cual se alojan los desechos se conoce
como la “roca hospedante” y constituye por lo general, la barrera de aislamiento más importante.
Es por eso que el primer paso en el diseño de una instalación de almacenamiento profundo de
desechos, es la selección de la formación geológica en la cual se construirá y operará este tipo de
instalaciones. Una buena selección del ambiente geológico protegerá la instalación de fuertes
fluctuaciones en flujos de agua e hidroquímica (4). Además, los efectos debido a los cambios de
clima o cambios impredecibles en el uso de suelo son menos intensos si la profundidad aumenta
ya que actúa como una barrera protectora que con el tiempo, amortigua la magnitud de estas
perturbaciones que suceden en superficie.
REFERENCIAS
1. International Atomic Energy Agency, “Scientific and Technical Basis for the Geological
Disposal of Radioactive Wastes”, Technical Reports Series No. 413, IAEA, Viena, 2003.
2. International Atomic Energy Agency, “Scientific and Technical Basis for the Geological
Disposal of Radioactive Wastes”, Technical Reports Series No. 349, IAEA, Viena, 1993.
3. Pagina de la compañía SKB http://www.skb.se/templates/SKBPage____8748.aspx (2007).
4. International Atomic Energy Agency, “Experience in Selection and Characterization of Sites
for Geological Disposal of Radioactive Waste” IAEA-TECDOC-991, IAEA, Viena, 1998.
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