0.1 Tahaton ihmisen tunkeutuminen ydinjätteiden loppusijoitustilaan

 Johdanto

Ydinjätteiden loppusijoituksessa on monta kiinnostavaa kysymystä ja ongelmaa, niitä pohtivat viranomaiset, tutkijat, ydinjätteen loppusijoitusyritykset ja aivan tavalliset kansalaiset. Tärkein viranomainen Suomessa on STUK, tärkeimpiä tutkimuslaitoksia VTT, GTK ja Helsingin yliopisto; käytetystä ydinpolttoaineesta vastaa Suomessa Posiva ja muista jätteistä (ydinjätteet ja muu radioaktiivinen jäte) niiden tuottajat Fortum, TVO, VTT, sairaalat, STUK ja monta muuta organisaatiota. Näitä toimijoita ohjeistavat monet kansainväliset organisaatiot, joihin palataan tässä esityksessä myöhemmin. Näille toimijoille kuuluu kokonaisvastuu jätteiden loppusijoituksesta kaikessa mutkikkuudessaan.

Moni tavallinen kansalainen, kansalaisyhteiskunta ja tätä edustavat järjestöt, ovat erityisen kiinnostuneita mahdollisesta tahattomasta ihmisen tunkeutumisesta loppusijoitustilaan, sen mahdollisuudesta ja sen seurauksista. Asia ei ole yksinkertainen, myös asiantuntijat käyvät aiheesta keskustelua monella tasolla: olin helmikuussa 2025 noin kuukautta ennen tämän kirjoittamista Wienissä vuorokauden verran aihetta puimassa.

Tahaton tunkeutuminen

Tulevaisuudessa tapahtuvat ihmisen toimet kokonaisuudessaan (FHA = Future Human Actions): kaikki ihmisen tekemät tahattomat toimet, jotka saattavat vaarantaa yhtä tai useampaa turvallisuustoimintoa sen jälkeen, kun loppusijoitustila on asianmukaisesti toteutettu ja suljettu. Ennen sulkemista loppusijoitustilan operaattorin pitää estää sekä tahattomat tai tahalliset toimet, ja niiden sattuessa korjata vahingot ennen sulkemista. En tässä esityksessä pohdi vaihtoehtoa, jossa loppusijoitustilan toteutus ja sulkeminen jäävät kesken sodan, pandemian tai yhteiskunnan muun toimimattomuuden takia.

Ydinjätteiden loppusijoituksen turvallisuutta ja sen rikkoutumista tarkastellaan skenaarioiden avulla. Tällaisia FHA-skenaarioita tai siis mahdollisia tapahtumakulkuja on varsin helppoa laatia: kaikenlaiset ihmisen toimet joko tilaan tunkeutuen tai maan päällä toimien voivat aiheuttaa erilaisia häiriöitä.

Oma erityinen luokkansa on ihmisen tahaton tunkeutuminen loppusijoitustilaan (IHI = Inadvertent Human Intrusion). Tahallinen tunkeutuminen käsitellään yleensä täysin erikseen IHI-tyyppisestä toiminnasta. Tahallinen tunkeutuja tietää tilan paikan ja sisällön, ja etsii tilasta vaikkapa uraania, plutoniumia ja jopa vain kuparia.

IHIn tapauksessa voidaan ja pitää olettaa, ettei tunkeutujalla ole mitään tietoa loppusijoitustilan olemassaolosta eikä etenkään sen vaarallisuudesta. Käsittelen esityksessäni vain käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitustilaan tunkeutumista, koska sen seuraukset ovat verrattomasti pahempia kuin matala- tai keskiaktiivisen jätteen tilaan tunkeutumisen. Itse asiassa yksi tärkeä syy sijoittaa käytetty ydinpolttoaine syvälle kallioon on tehdä tahaton tunkeutuminen vaikeaksi ja epätodennäköiseksi.

Kansainvälinen oheistus ja kansallinen lainsäädäntö ja määräykset

IAEA on Wienissä toimiva YK:n alainen Kansainvälinen atomienergiajärjestö (International Atomic Energy Agency), jonka tehtävänä on edistää ydinenergian turvallista, varmaa ja rauhanomaista käyttöä. IAEA laatii suosituksia, jotka kuitenkin käytännössä otetaan tarkasti huomioon kansallisessa lainsäädännössä. IAEA myös valvoo ydinvoiman käyttöä kansainvälisesti.

IAEA suosittelee seuraavaa toimintamallia kolmelle eri säteilyannostasolle (mSv per vuosi) niille ihmisille, jotka asuvat loppusijoituspaikan ympäristössä (ei koske tunkeutujia itseään)

1. Alle 1 mSv: ei tarvita toimenpiteitä
2. Välillä 1 – 20 mSv: pyrittävä vähentämään annoksia optimoimalla loppusijoitustilaa
3. Yli 20 mSv: harkittava koko ratkaisua uudelleen

mSv on Sievertin tuhannesosa, Suomessa taustasäteilyn vuosiannos on keskimäärin 5,9 mSv ja säteilytyöntekijöille sallittu vuosiannos 20 mSv tai yhtenä vuotena jopa 50 mSv, jos muina vuosina pienempi. Akuutin säteilysairauden oireita alkaa ilmetä 1 Sievertin kokokehoannoksella, vakavia oireita 1-5 Sievertin annoksella, jonka ylimenevä vaatii raskasta lääketieteellistä hoitoa, joka ei enää sekään auta yli 10 Sievertin annoksella. Syövän sädehoidossa annetaan paljon isompia (jopa 100 Sv) annoksia, mutta ei yleensä kerralla ja joka tapauksessa hyvin paikallisesti. Ydinjätteen loppusijoitustilasta muissa kuin IHI-tapauksissa aiheutuva annos on rajattu paljon alemmas eli 0,1 mSv vuodessa.

IAEA:n Hidra-hanke

IAES käynnisti vuonna 2012 HIDRA-hankkeen, jonka loppuraportti on luvattu noin vuoden kuluessa eli loppuvuodesta  2025. HIDRAn yleistavoite oli parantaa loppusijoituslaitoksen luotettavuutta ja toimintavarmuutta käymällä läpi erilaisia toimenpiteitä IHI:n potentiaalin ja seurausten vähentämiseksi.

HIDRAssa kehitettiin metodologiaa paikkakohtaisten tyyliteltyjen skenaarioiden kehittämiseksi. Menetelmä perustuu siihen, että on yleisesti kansainvälisesti hyväksyttyä, että IHI:tä käsitellään tyyliteltyjen skenaarioiden avulla. Tyyliteltyjen skenaarioiden on perustuttava nykyisiin käytäntöihin ja nykypäivän teknologioihin ja menettelytapoihin, jotta vältytään spekuloinnilta mahdollisesta tulevasta ihmisten käyttäytymisestä ja teknologiasta. Tyyliteltyjen skenaarioiden ei siis ole tarkoitus välittää mitään ennustetta loppusijoitustilan kehityksestä tai tulivasta yhteiskunnallisista toimintatavoista.

Tyylitelty skenaario viittaa yksinkertaistettuun ja idealisoituun malliin, jota käytetään arvioitaessa ydinjätteen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuutta. Se on tarkoituksellisesti pelkistetty esitys mahdollisista tapahtumaketjuista, keskittyen tiettyihin avaintekijöihin tai prosesseihin. Ero tavalliseen skenaarioon on siinä, ettei pyrkimys ole mahdollisimman realistisesti mallintaa tunnetut tekijät ja niiden vuorovaikutukset. Ihmisen toimintaa pidetään liian arvaamattomana ennustettavaksi tarkasti. Lisää aiheesta kirjoitin tänne.

ICRP

ICRP (International Commission on Radiological Protection) on riippumaton, kansainvälinen, kansalaisjärjestö, jonka tehtävänä on suojella ihmisiä, eläimiä ja ympäristöä ionisoivan säteilyn haitallisilta vaikutuksilta. Sen suositukset muodostavat perustan säteilysuojelupolitiikalle, -määräyksille, -ohjeille ja -käytännöille maailmanlaajuisesti. Myös ICRP ottaa kantaa ihmisen tahattomaan tunkeutumiseen:

• HI-skenaariot tulisi yleensä pitää erillään mahdollisiin altistuksiin liittyvistä skenaarioista
• Tunkeutumiseen voi liittyä suuria annoksia, mutta annosnopeuksia ei pitäisi käyttää analyysin pääpainona
• Painopisteen tulisi olla johdettujen annoksien käyttäminen arviona loppusijoitusjärjestelmän kestävyydestä

NEA

OECD NEA (Organisation for Economic Co-operation and Development - Nuclear Energy Agency) on Pariisissa toimiva järjestö, jonka tavoitteena on auttaa jäsenmaitaan (näitä on 34, mutta Venäjä on suljettu pois toiminnasta toistaiseksi) ylläpitämään ja kehittämään tieteellisiä, teknologisia ja oikeudellisia perustoja, joita tarvitaan ydinenergian turvalliseen, ympäristöystävälliseen ja taloudelliseen käyttöön rauhanomaisiin tarkoituksiin.

Tahaton HI tulisi ottaa huomioon turvallisuusarvioinnissa sijoitus- ja suunnitteluvaiheessa, mutta tahallisia toimia ei voi samalla tavoin ottaa huomioon. Tahallinen on ehkä enemmänkin Safeguards- tai turvajärjestelytyyppinen ongelma. Sijoituspaikan tulisi sijaita alueilla, jotka eivät ole kiinnostavia minkään ihmisen toiminnan kannalta. Vaikkapa mahdollinen kaivostoiminta  on iso este loppusijoituspaikan valinnassa.

NEA:n mukaan loppusijoituslaitoksen rakenteesta ja vaaroista olisi oltava helposti saatavilla tietoa. Tästä aihepiiristä on käyty varsin paljon keskustelua, koska mitään yksinkertaista tapaa tuottaa tätä tietoa ei ole esitetty. Toiseksi tahallisen tunkeutumisen (ydinmateriaalin tai kuparin hankkiminen) kannalta olisi parempi, ettei loppusijoituspaikasta olisi mitään tietoa.

EU

EU:n tutkimushanke PAMINAssa todettiin, ettei HI ole ennustettavissa. Loppusijoituksen turvallisuustarkasteluun tulee ottaa vain tahaton tunkeutuminen – tahallinen on enemmänkin Safeguards- tai turvajärjestelytyyppinen ongelma. Tahaton tunkeutuminen pitää tarkastella tyylitellyillä skenaarioilla, jotka ovat erillään muusta skenaariotyöstä. Tyyliteltyjen skenaarioiden skenaarioiden tulee perustua nykyiseen teknologiaan ja sosiaalisen käyttäytymisen malleihin.

Tämän lisäksi Paminassa annettiin pitkä lista erilaisia muita suosituksia.

STUK

Tahattomasta loppusijoitustilaan tapahtuvasta tunkeutumista annetaan vaatimuksia ja ohjeita STUKin YVL ohjeessa D.5.

Ensimmäisten vuosituhansien ajan voidaan olettaa, kuten myös pidemmän aikavälin tyylitellyissä skenaarioissa, että ihmisten tottumukset, ravitsemustarpeet ja aineenvaihdunta vastaa nykyistä. Ohjeelliset annoslaskelmat pitää tehdä myös vuosituhannen jälkeiselle ajalle tyylitellyllä skenaarioilla. Kallioperän on myös suojattava ihmisen toiminnalta: useiden satojen metrien syvyys (käytetty polttoaine) ja muutaman kymmenen metrin syvyys (LILW).

STUKin määräyksen mukaan pitkäaikaisturvallisuutta heikentävien harvinaisten tapahtumien todennäköisyyksiä ja vaikutuksia loppusijoitusjärjestelmään ja loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuuteen on arvioitava.Tapahtumien todennäköisyydet ja turvallisuusmerkitykset sekä niistä aiheutuvat vuosiannokset tai aktiivisuuspäästöt on arvioitava mahdollisuuksien mukaan. Välittömiä terveyshaittoja aiheuttavan säteilyaltistuksen mahdollisuuden on oltava hyvin pieni. Merkittävää säteilyaltistusta aiheuttavien tapahtumien todennäköisyyden on oltava erittäin pieni ja sen aiheuttaman radioaktiivisten aineiden päästön laaja-alaisten vaikutusten on oltava pienet.

Ihmisen toiminnasta aiheutuvina pitkäaikaisturvallisuutta heikentävinä harvinaisina tapahtumina on tarkasteltava ainakin keskisyvän porakaivon tekemistä loppusijoituspaikalle ja loppusijoitettuun jätepakkaukseen osuvaa kairausta tai porausta. Tällöin oletetaan, ettei loppusijoitetusta jätteestä ole tietoa ja että tapahtuma voi sattua aikaisintaan 200 vuoden kuluttua loppusijoituslaitoksen sulkemisen jälkeen. Poraus-/poraustapahtumien aikana poraajat eivät tiedä loppusijoitustilan olemassaolosta. Näissä "harvinaisissa tapahtumissa" on mahdollisuuksien mukaan määriteltävä todennäköisyys, niistä johtuvat aktiivisuuspäästöt ja säteilyannokset sekä merkitys turvallisuudelle.

Esimerkki: syvä kairanreikä loppusijoitustilaan, radioaktiivista ainesta pinnalle

Loppusijoitustilaan porattava syvän kairanreiän analyysi perustuu Posivan loppusijoitustilan Onkaloon®. Tarkempaa tietoa analyyseistä on näissä kahdessa raportissa:

1. Working Report 2013-23: Human Intruder Dose Assessment for Deep Geological Disposal
2. Working Report 2021-02: Safety Case for the Operating Licence Application – Future Human actions

Molemmat ovat haettavissa Posivan raporttiarkistosta.

Kolme tehokkainta toimenpidettä FHA:n eli tulevan ihmisen toiminnan rajoittamiseksi liittyvät

1. Loppusijoituksen syvyyteen (noin 400 m)
2. Hyödynnettävissä olevien resurssien erittäin alhaiseen potentiaaliin Onkalon ympäristössä
3. Tallenteiden, tiedon ja muistin säilymiseen loppusijoitustilan olemassaolosta

Entä jos jotain tapahtuu joka tapauksessa? Pitkä luettelo turvallisuustoiminnoista, jotka voivat olla vaarassa, olennaisimpina nämä kolme:

1. Kuparikapselin korroosio ja mekaniikka
2. Bentoniittipuskuri, jonka tehtävä on kuparikapselin korroosionkestävyys, mekaaninen suojaus, suotuisa kemia, radionuklidivapautumisen rajoittaminen ja hidastaminen
3. Tunnelitäytteet ja kallioperä, jotka suojaavat teknisiä vapautumisesteitä ja hidastavat radionuklidien etenemistä

FHA -tapahtumiin liittyvä FEP-luettelo (Feature-Event-Processes – Piirre-Tapahtuma-Prosessi) on melko pitkä, koska ihmisten toiminta voi olla varsin moninaista. Syvä kairanreikä on kuitenkin kiinnostavimpia näistä, koska poraustapahtumia esiintyy myös maanalaisissa kaivauksissa ja kaivostoiminnassa, geotermisen energian tuotannossa ja lämpöenergian varastoinnissa jne.

Syvä kairanreikä

Oletetaan, että porattu porausreikä leikkaa suoraan käytetyn ydinpolttoaineen kapselin.
Jopa nykyisellä tiedon tasolla voisi kestää jonkin aikaa, ennen kuin poraajat tunnistavat, mitä ovat tehneet. Analyysit osoittavat, että suora vaikutus loppusijoitustilaan on paikallinen ja rajallinen.

Entä poraajat ja ympäristö tällaisen tapahtuman jälkeen?

Poraukseen soveltuvia tekniikoita on useita: Posiva on harkinnut timanttiporausta vedellä ja paineilmalla. Kaikissa tapauksissa on todennäköistä, että kairansydämet tuotaisiin pintaan asti. Seuraukset riippuvat hyvin paljon inventaarista (mitä radionuklideja kanisterissa on) ja siitä, kuinka myöhään sulkemisen jälkeen tämä poraustapahtuma tapahtuu (radioaktiivinen hajoaminen vähentää haittaa nopeasti). Vähimmäisaika on kuitenkin 200 vuotta, koska sitä ennen loppusijoitustilaa pitää vartioida tai ainakin valvoa. Heti 200 vuoden kuluttua ilmanpaineporaus voi aiheuttaa erittäin suuria annoksia poraajille, radioaktiivista pölyä ilmassa. Annokset voivat olla jopa kymmeniä Sieverttejä (Sv), kun kuolemaan johtava kokokehoannos on luokkaa 10 Sv. Suuri annos johtuu hengityksen kautta elimistöön joutuvasta pölystä ja mm. Sr-90-isotoopin vielä melko korkeasta pitoisuudesta 200 vuoden jälkeen. Myöhemmin annosta saattaa nostaa pölyn mukana saatavat plutoniumin isotoopit, joiden haitta hengitettynä on paljon nieltyä suurempi.

Johtopäätöksiä

1. Tahaton ihmisen tunkeutuminen (HI) on osa ihmisen tulevia toimia (Future Human Action, FHA), mutta on olemassa FHA-tapahtumia, jotka eivät ole tunkeutumisia (tulvat, padot, …)
2. Tahaton suora tunkeutuminen voidaan tehdä monella tavalla, mutta suomalaisessa analyysissä kuitenkin vasta 200 vuoden kuluttua sulkemisesta. Sitä ennen tilaa valvotaan eri tavoin.
3. Pitkä luettelo FEP:istä eli tapahtumista, ilmiöistä ja prosesseista, ja niihin liittyvistä skenaarioista, koska ihmisen toiminat on moninaista ja vaikeasti ennustettavaa
4. Poraustapahtuma sisältyy moneen FHA-FEP:iin, koska kairanreikiä tehdään moneen tarkoitukseen
5. Ei edes syvällä kairanreillä ole kuin vain paikallisia vaikutuksia loppusijoituslaitoksen turvallisuuteen
6. Erittäin suuret annokset ovat kuitenkin mahdollisia poraajille itselleen hyvin varhaisessa vaiheessa (noin muutama sata vuotta sulkemisen jälkeen)
7. Myös porausalueen ympäristö saastuu voimakkaasti

 

 

Kun tietoa todella tarvitaan – osaamisen huoltovarmuus I 28.3.2022

Johdanto

Olen laatimassa uutta blogitekstiä Professoriliiton blogiin (proffablogi). Ajattelin palata osaamisen huoltovarmuuteen, josta aihepiiristä julkaistiin  tekstini 28.3.2022, siis melko pian Venäjän hyökättyä Ukrainaan.

Tästä alkaa aiempi kirjoitukseni:

Oma organisaationi VTT perustettiin 16.1.1942 sota-ajan tarpeisiin. Silloin tutkimme muun muassa ”heikkolaatuisia ruokatarvikkeita, korvikkeita, palosuojelua, palamattomia puumateriaaleja ja korsukamiinoita”¹. VTT ei syntynyt tyhjästä vaan se perustui Teknillisen korkeakoulun ja Helsingin yliopiston jo 30-luvulla tekemiin ehdotuksiin. Päättäjien olisi kannattanut tarttua ehdotukseen jo ennen 2. maailmansotaa, koska sota-aikana monet hyvät kehittämisideat kaatuivat osaamisen tai resurssien puutteeseen.

Kansallinen ja kansainvälinen huoltovarmuus koostuu monesta osasta, joiden toimivuutta ja yhteensopivuutta on vaikea arvioida ennen kriisin kehittymistä.  Materiaali- ja energiahankintoja voi tehdä vielä kriisin aikanakin. Materiaalien hinta voi toki nousta ja niitä voi olla vaikeaa tai lähes mahdotonta saada, mutta saatavuutta voi pyrkiä parantamaan monin keinoin myös kriisin jo ollessa päällä. Energian tuotannon ongelmat ovat jo moninaisempia, mutta energian tarvetta voi vähentää säästämällä kulutuksesta. Osaamista sen sijaan on varsin hankala ostaa enää kriisin sattuessa, joten sitä pitää olla varastossa. Riittävän hyvän oman osaamisen kehittäminen vie helposti tieteen kvartaalin eli neljännesvuosisadan tai enemmän, oli sitten kyse viranomaistoiminnasta, sotilasosaamisesta, kansainvälisestä politiikasta tai mistä tahansa tieteestä. Monessa tapauksessa osaamisen suora hankkiminen ulkomailta on jollei mahdotonta niin ainakin hyvin vaikeaa, etenkin jos on kyse kansallisesta turvallisuudesta. Tieteellistä tietoa tutkijoille tai tiedustelutietoa sotilaille toki voi hankkia kriisinkin aikana, mutta tiedon hyödyntäminen vaatii laaja-alaista ja syvää osaamista kummassakin tapauksessa.

“Luottakaamme siis viranomaisten ja tutkijoiden tilannearvioihin ja niistä seuraaviin koveneviin rajoituksiin. Lopullisen analyysin voi tehdä vasta tilanteen mentyä ohi. Vasta silloin selviää valintojen hyvyys ja oikea-aikaisuus. Kriisin jälkeen voidaan arvioida miltä vältyttiin ja miltä olisi voitu välttyä. Juuri nyt kriisin keskellä on viisainta luottaa viranomaisten malleihin, koska heillä on käytössään laajin tietopohja ja pitkäaikainen kokemus.”

Edellä olevan tekstin (edit: vain osa tekstistäni tuossa linkissä) kirjoitin kaksi vuotta sitten koronakriisin alkuhetkillä 24.3.2020. Virusten käyttäytymistä voi jossain määrin ennustaa matemaattisilla malleilla, joiden soveltamista ja rajoitteita tuolloinen kirjoitus käsitteli. Ongelma on vaihtunut vielä meneillään olevasta koronakriisistä vaikeammin ”mallinnettavaksi” poliittiseksi ja sotilaalliseksi kriisiksi, täysimittaiseksi sodaksi Euroopassa.

Tutkijoilla ja tutkimuksella on kuitenkin olennainen rooli myös nykyisessä kriisissä. Me, suuri yleisö, emme ole perillä kaikesta valtionhallintomme käytössä olevasta tietämyksestä ja asiantuntemuksesta. Turvallisuuteen liittyvissä asioissa näin on ollut, tulee aina olemaan ja täytyykin olla, joten nyt vaaditaan vielä syvempää luottamusta kuin koronakriisin hallinnassa. Tutkijoilla ja asiantuntijoilla on myös toinen paljon julkisempi rooli, kun he selittävät aamusta ja illasta toiseen tapahtumien taustoja eri medioissa. Meidän kansalaisten tiedon tarve on suuri, ja kriisien poliittisessa ratkaisussa äänestäjien mielipiteet ja niiden muutokset ovat tärkeässä roolissa.

Mielenkiintoista on viimeisen vuosikymmenen aikana sattuneiden kriisien erilaisuus. Vain muutama vuosi sitten oltiin huolissaan terrorismista, pakolaisvirroista ja politiikan nopeasta muuttumisesta. Sen jälkeen iski virusepidemia ja kohta sen päälle sota naapurissa. Näkyvissä on pula ruoasta ja energiasta. Nämä kriisit ovat yllättäneet poliittiset ja muut päättäjät lähes kaikissa maissa, ja myös varautumisessa on ilmennyt pahoja puutteita. Tällainen ennustamattomuus tekee vaikeaksi tutkimusrahoituksen suuntaamisen vain tarkkaan valituille aloille siinä toivossa, että juuri niiden tuloksista ja ennen kaikkea osaamisesta olisi hyötyä tulevissa kriiseissä.

Viimeaikainen muotisana tutkimusrahoituksessa on ekosysteemi, joka tarkoittaa verkostomaista toimintaa, jossa osapuolet tukevat ja täydentävät toisiaan. Tämäntapaisia verkostoja on ollut jo pitkään ennen kuin ne osattiin nimetä ekosysteemeiksi. Omalla ydinjätteiden loppusijoitusalallani kaikki toimijat ovat osallistuneet Kansalliseen ydinjätehuollon tutkimusohjelmaan (KYT). Jätteen tuottajat toimivat myös ohjelman rahoittajina. Viranomaisella (STUK) on tärkeä rooli tutkimushankkeiden valinnassa, mutta myös ministeriöt, voimayhtiöt ja Posiva osallistuvat päätöksentekoon. Tutkimuslaitokset ja yliopistot ovat puolestaan ehdottamassa ideoitaan ja toteuttamassa niitä myönnetyllä rahoituksella. Suurin osa alan tutkimuksesta ja kehityksestä on tehty voimayhtiöiden rahoituksella Posivan kautta, mutta KYTin tapainen julkinen foorumi on taannut erityisesti viranomaisten käyttöön olennaisen tärkeää osaamista ja osaajia. Vastaavanlainen malli on ollut käytössä myös reaktoriturvallisuusalalla, jonka merkitys mahdollisessa kriisitilanteessa (ydinvoimalaonnettomuudet Suomessa tai lähialueella) on luonnollisesti suurempi kuin jäteosaamisella.

Ydintekniikan osaamisen kehittäminen aloitettiin Suomessa 50- ja 60-lukujen vaihteessa, ja jo vuonna 1962 aloitti toimintansa tutkimusreaktori Espoon Otaniemessä. Ensimmäisen sukupolven tutkijat ovat jo aikaa sitten jääneet eläkkeelle tai jo kuolleet, mutta osaamista on kyetty Suomessa kehittämään koko tämän 60 vuoden jakson aikana, koska ydinvoimalla on nähty tulevaisuus Suomessa. Monessa muussa maassa on ydintekninen osaaminen alkanut heiketä, kun ydinvoimasta on päätetty luopua. Meillä on siis tällä alalla kyky nopeaan reagointiin, jos tarvetta ilmenee.
Poliittiset ja taloudelliset päättäjät vaikuttavat merkittävällä tavalla kulloinkin rahoitusta saavan tutkimusalan toimintaan. Suurin ongelma on se, että kutakin erillistä alaa on melko helppo ajaa alas: eläkkeelle tai muualle töihin menevien tilalle ei oteta uusia, näkymien heiketessä uuteen työpaikkaan hakeutuminen on yksilön kannalta vain muutaman kuukauden prosessi ja tulevaisuuden muuttuessa epävarmaksi lähtöhalut vielä kasvavat. Siten jo muutamassa vuodessa voidaan hävittää vuosikymmenten työ osaamisen kehittämisessä ja verkostojen luomisessa.
Ilman yliopistojen ja tutkimuslaitosten toimintaa monen pienen alan osaaminen kuihtuu ja katoaa, eikä enää ole käytettävissä, vaikka tarve ilmaantuisikin. Osaamisen huoltovarmuus ei kuitenkaan mielestäni voi perustua siihen, että tutkijat ja heidän tietonsa kykkisivät jossain varmuusvarastossa odottamassa huonoja aikoja. On pidettävä huolta kansallisten ekosysteemien elinvoimasta ja toimivuudesta: tutkijoista, viranomaisista, teollisuudesta, kaupasta ja koko kansalaisyhteiskunnasta tämän kaiken takana. Ukrainan sota on osoittanut, että kansakunnan pitää ensin näyttää kykynsä selviytyä kriisistä jonkin aikaa omin voimin. Sen jälkeen se voi saada apua. Kun sitten apua saa, sen vastaanottaminen ja käyttäminen vaatii osaamista, jota ei voi kehittää viikoissa tai kuukausissa normaalioloissakaan, saati sitten keskellä kriisiä.
Joten muun huoltovarmuuden lisäksi pitää turvata osaaminen, ja juuri siihen tehtävään VTT perustettiin 80 vuotta sitten tammikuussa. Juhlat pidämme koronakriisin takia vasta toukokuussa.

0.1a Tahaton tunkeutuminen - tyylitelty skenaario

Johdanto 

Kirjoitan uutta blogitekstiä ihmisen tahattomasta tunkeutumisesta ydinjätteiden loppusijoitustilaan. Siinä yhteydessä tärkeä käsite on tyylitelty skenaario (stylised scenario), jolle ei kovin tarkkaa määritelmää ole edes olemassa. Ihan tavallisestakin skenaarion käsitteestä on paljon epäselvyyttä, ja usein sekoitetaan keskenään varsinainen kuviteltu tapahtumakulku yleensä ja sen erityis- eli laskentatapaukset.Skenaario voisi olla vaikkapa asteroidin törmäys Maahan, ja mahdollisia laskentatapauksia eri kokoisille ja eri paikkaan osuville on melko lailla lukematon määrä.Tietenkin voi laatia jouko aliskenaarioita tilannetta selkiyttämään, mutta niile kullekin tulee valittavaksi iso joukko laskentatapauksia.

Koska en heti saanut selville tyylitellyn ja tavallisen skenaarion eroa, niin kysyin Copilotilta, mutta annoin sille pidemmän puolen minuutin vastausajan. Vastaus on seuraavassa kappaleessa. Tämä on täysin muokkaamaton versio. Lopusta otin pois Copilotin kohteliaan kysymyksen siitä, että haluanko tietää lisää. En halunnut, tämä riittää viitattavaksi tekstiksi tuohon tuohon tahattoman tunkeutumiseen blogitekstiin.

Copilotin vastauksesta muokattu teksti

Tyylitelty skenaario ydinjätteen yhteydessä viittaa yksinkertaistettuun ja idealisoituun malliin, jota käytetään arvioitaessa ydinjätteen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuutta. Se on abstrakti ja tarkoituksellisesti pelkistetty esitys mahdollisista tapahtumaketjuista, keskittyen tiettyihin avaintekijöihin tai prosesseihin ilman kaikkien todellisten monimutkaisuuksien huomioimista.

Ero tavalliseen skenaarioon on siinä, että tavallinen skenaario pyrkii mahdollisimman realistisesti mallintamaan kaikki tunnetut tekijät ja niiden vuorovaikutukset. Se ottaa huomioon monipuolisesti geologiset, hydrologiset, biologiset ja ihmistoiminnasta johtuvat tekijät, jotka voivat vaikuttaa ydinjätteen käyttäytymiseen ja mahdolliseen säteilyn leviämiseen ympäristöön.

Tyylitellyssä skenaariossa voidaan esimerkiksi:

• Olettaa yksinkertaistettu maaperän rakenne, jossa kerrosten ominaisuudet ovat homogeenisia, vaikka todellisuudessa ne vaihtelevat.
• Keskittyä yhteen kuljetusmekanismiin, kuten pohjaveden virtaukseen, sivuuttaen muut vaikutukset.
• Käyttää konservatiivisia oletuksia, joissa pahimmat mahdolliset olosuhteet oletetaan tapahtuviksi, jotta saadaan varmuutta turvallisuusmarginaaleihin.

Näiden skenaarioiden tarkoituksena on helpottaa riskinarviointia ja korostaa tiettyjen prosessien vaikutusta turvallisuuteen. Ne auttavat tunnistamaan kriittisiä tekijöitä ja mahdollisia heikkouksia loppusijoitusratkaisuissa.

Tavallinen skenaario puolestaan:

• Sisältää laajan datan ja muuttujat, pyrkien jäljittelemään todellista maailmaa mahdollisimman tarkasti.
• Ottaa huomioon epätodennäköiset mutta mahdolliset tapahtumat, kuten maanjäristykset tai ilmastonmuutoksen vaikutukset pitkällä aikavälillä.
• Käyttää monimutkaisia laskentamalleja, jotka yhdistävät eri tieteiden tietämystä.

On mielenkiintoista huomata, miten näitä kahta lähestymistapaa käytetään yhdessä. Tyylitellyt skenaariot tarjoavat selkeyttä ja ymmärrettävyyttä, kun taas tavalliset skenaariot tuovat syvyyttä ja realismia analyysiin. Yhdessä ne auttavat varmistamaan, että ydinjätteen loppusijoitus on mahdollisimman turvallista nyt ja tulevaisuudessa.

Ehkä herää kysymys, miten nämä skenaariot vaikuttavat päätöksentekoon ja yleiseen luottamukseen ydinjätehuollossa. Tai miten vastaavia menetelmiä hyödynnetään muilla aloilla, kuten ilmastotutkimuksessa tai talouden ennusteissa.

Kommentit

Suurin syy käyttää näitä tyyliteltyjä skenaarioita tai kutsua ihmisen tahattoman tunkeutumisen yhteydessä skenaarioita sellaisiksi lienee ihmisen toiminnan arvaamattomuus: teknologia ja yhteiskunta muuttuvat ja tulevat muuttumaan, eikä meillä ole kykyä tätä kehitystä ennustaa. Elämän arvaamattomuus liittyy myös toiseen biologiseen vaikutukseen ydinjätteiden loppusijoitusilassa, mikrobien toimintaan ja niiden kykyyn muokata olosuhteet mieleisikseen.

Ydinjätteet: 2.2 Hiukan monimutkaisempi vesiliuos ja liukoisuus

 Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen

Monimutkaisempi vesiliuos

Lisätään edellisen blogitekstin veteen (vesi+NaCl+CO₂) uusi alkuaine, kalsium, jonka pääspesies vedessä on tyypillisesti sen kaksiarvoinen ioni (varaus on 2+, eli se on luovuttanut kaksi elektroniaan muille spesieksille). Kalsiumia veteen voisi joutua vaikkapa liuottamalla hyvin yleistä mineraalia kalsiittia, joka tunnetaan myös kalkkikiven päämineraalina, jota usein täydentää vain pieni osuus epäpuhtauksia. Kalsiitti (CaCO₃) hajoaa veteen liuetessaan pääosin kalsium- ja karbonaatti-ioneiksi kuvan 1  mukaisesti. Jos pH on alhainen eli liuos hapan, karbonaatti muodostaa vetyionin kanssa vetykarbonaatti-ionin (HCO₃^-). Lisäksi syntyy suuri joukko muita osaslajeja, joista kuvassa 4. näytetään yleisimpiä. Kalsium voi myös sitoutua (erityisesti negatiivisille) mineraalipinnoille pintakompleksina.

Kemiallinen analyysi vesinäytteestä kertoo yleensä liuenneiden alkuaineiden kokonaispitoisuuden. Osaslajit saadaan selville joko termodynaamisella mallinnuksella tai kehittyneemmillä analyysimenetelmillä, joita yleensä käytetään vain tieteellisessä työssä. Vesikemiallinen termodynamiikka on epälineaarista, ja siten mallinnus ja simulointi vaatii siihen erikoistuneita mallinnusmenetelmiä ja tietokoneohjelmia. Näiden ohjelmien käyttäminen vaatii hyviä termodynaamisia tietokantoja, jotka oikeastaan muodostavat termodynaamisen mallin, jonka tietokoneohjelma ratkaisee.

Radionuklidien pitoisuudet ovat tyypillisesti niin alhaisia, etteivät ne muuta vesiliuoksen ominaisuuksia. Vesiliuoksen muut osaslajit sen sisään muodostavat radionuklidien kanssa uusia osaslajeja, joiden ominaisuudet vaikuttavat radionuklidien liukoisuuteen ja sorptioon.

Kuva 1. Yksinkertaistettu kuva hiukan monimutkaisemmasta vesikemiallisesta systeemistä. Kalsium (Ca) muodostaa joukon osaslajeja, joista tärkein on Ca²⁺. Mukana myös pinnoille tarttunut SO-Ca+, josta lisää myöhemmin. Hiilidioksidi on emäksisessä liuoksessa karbonaatti-ionina CO₃^2-, mutta happamassa vetykarbonaatti-ionina HCO₃^-. Kuvan tapauksessa kalsiitin (kalkin) CaCO3(s) liukoisuustulo (keskellä kuvaa) ei ylity.

Kalsiitin liukenemista säätelee liukoisuustulo. Kalsiitti liukenee veteen kalsium- ja karbonaatti-ionina (kuva 1). Liukeneminen jatkuu tai saostuminen ei ala ennen kuin kuva yhden keskellä oleva liukoisuustulo ylittyy. Liukoisuustulossa pitoisuudet kerrotaan keskenään ja tulosta verrataan tietokannoista saatavaan arvon (kuvan K).

Täten kalsiittia voi liueta sitä enemmin mitä runsaammin kalsium- ja karbonaatti-ionit muodostavat muita osaslajeja. Radionuklidien tilanne täysin samanlainen, joten monia osaslajeja muodostavat nuklidit pysyvät periaatteessa paremmin vesiliuoksessa kuin muut. Käytännössä monia osaslajeja on vain aktinideilla, joiden liukoisuustulot ja siten liukoisuus on alhainen. Kalsiumin kemia kuvaa melko hyvin myös radiumin vesikemiallista käytöstä.

Liukoisuus

Jos liukenemisreaktion liukoisuustulo saavuttaa tasapainovakion arvon tai jopa ylittää sen jossain tilanteissa, niin kuvan 1 tilanne kääntyy toisinpäin. Joko kalsium- tai karbonaatti-ionin pitoisuus määräytyy liukoisuustulosta. Kalsiumionien pitoisuus liuoksessa on siten vakio K jaettuna karbonaatin pitoisuudella, jos tilanne on sellainen, että karbonaatti-ionien pitoisuutta hallitaan muuten esim. pitämällä liuosta sopivassa ilmakehässä (kuva 2).

Radionuklidien tilanne on samanlainen, ja siten jokin radionuklidin mineraali määrää radionuklidi-ionin pitoisuuden ja samalla kokonaispitoisuuden vesiliuoksessa.

Edellä kuvattu on melko karkea yksinkertaistus todellisuudesta, sillä erilaiset faasimuutosreaktiot, joihin saostuminenkin kuuluu (kiinteän aineen muodostuminen vesiosaslajeista) ovat jo sinällään aika monimutkaisia ja vaikeasti teoreettisesti hallittavia. Lisäksi vesikemiallinen systeemi on hyvin epälineaarinen, jolloin yhden mineraalin saostuessa tai liuetessa koko systeemi muuttuu samalla. Näitä yritetään hallita reaktioreittimallinnuksella, joka on rakennettua aiemmin mainittujen termodynaamisten mallien päälle. Mutkikkuutta lisää erilaiset siirtoilmiöt, diffuusio ja virtaus, joista lisää myöhemmin tässä esityksessä.

Kuva 2. Jos systeemissä on riittävästi kalsiittia (kalkkia) ylikylläisyyden saavuttamiseksi, niin tilanteessa, jossa karbonaatin määrää muutetaan jollain ulkoisella tavalla, kalsiumionien pitoisuus liuoksessa määräytyy liukoisuustulosta suoralla jakolaskulla. Sen jälkeen kalsiumin muiden osaslajien pitoisuus saadaan kalsiumionin pitoisuudesta. Kaikki muutokset vaikuttavat kuitenkin lähes kaikkeen, joten systeemi on varsin epälineaarinen.

Ydinjätteet: 2.1 Vesikemian perusteet

 

Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

Radionuklidien vapautuminen

Loppusijoitustilan toimiessa suunnitellusti mitään ei vapaudu, ei koskaan – ennen kuin radioaktiivisuuden taso on jo “luonnollisella” tasolla. Mutta joku kapseli voi olla alun perin viallinen, korroosio voi vaurioittaa kapselia, jääkauteen liittyvät kalliosiirrokset voivat murtaa kuparikapseleita – skenaarioita on monia ja niitä pyritään käsittelemään mahdollisimman kattavasti turvallisuustarkastelussa.

Käytetyn polttoaineen oppusijoitustila suunnitellaan estämään radionuklidien vapautuminen kallioperään siten, että jätteen tuottama lämpö kuitenkin poistuu riittävän tehokkaasti, sillä liian korkea lämpötila voi vahingoittaa tilan rakenteita ja materiaaleja. Radionuklidien vapautuminen estetään useiden toisiaan varmentavien teknisten (ihmisen rakentamien) ja luonnollisten vapautumisesteiden käytöllä – moniesteperiaate.

Jos sisimmät esteet (polttoine, sitä ympäröivä valurautainen tuki ja kokonaisuutta ympäröivä kuparikapseli) pettävät, niin radionuklidit voivat päästä kuparikapselia suojaavaan bentoniittisaveen ja siitä edelleen pohjaveteen kallion rakojen kautta.

Radionuklidit tarvitsevat liikkuakseen vettä, joten niiden osalta riittää tarkastella vesikemiallisia ja veden kasteleman mineraalipinnan reaktioita. Liikkuminen voi tapahtua kahdella tavalla: pohjaveden virtauksen mukana tai diffuusiona (satunnaisliikkeenä) veden sisällä. Ensimmäinen tapa on tärkeä pitkillä matkoilla (metreistä kilometreihin), kun taas jälkimmäinen on sitä tehokkaampi mitä lyhyempi matka on eli alle millimetristä tuohon metrin luokkaan asti.

Radionuklidi voi olla veteen liuennut, pinnoille kiinnittynyt (sorptio) tai saostunut kiinteäksi mineraaliksi. Myös kaksi jälkimmäistä voi liikkua pohjaveden mukana kallion raoissa, jos kiinnittyminen tai saostuminen on tapahtunut kolloidihiukkasen pinnalle (vedessä oleva pieni hiukkanen). Veteen liuennut voi edetä kallion raoista kiteisen kallion sisään pienissä huokosissa (matriisi)diffuusiolla ja samalla kiinnittyä pinnoille tai jopa saostua huokosten pinnoille.

Vapautuminen lyhyesti: veden päästessä kapselin sisään välittömästi liukeneva osuus inventaarista liukenee, erilaiset diffuusioprosessit kuljettavat sitä bentoniittipuskuriin ja sieltä edelleen pohjaveden virtaukseen. Pitää siis tietää miten radionuklidit käyttäytyvät vesiliuoksessa: bentoniitin sisällä huokosissa, kallion raoissa, kallion huokosissa ja joskus myös vaurioituneen kuparikapselin sisällä

Johdanto

Vesiliuos koostuu kahdesta erillisestä komponentista: puhtaasta vedestä ja siihen liuenneista mineraaleista ja kaasuista. Osa liuenneesta aineesta voi päätyä veteen pieninä kolloidihiukkasina, vastaa ilmassa olevia pieniä aerosolihiukkasia. Termodynaamisen tarkastelun lähtötilanne on siis tämä: lasillinen puhdasta vettä, lusikallinen ruokasuolaa siihen, ja lasi tasapainottumaan ilman kanssa. Tällainen lähestymistapa (puhdasta vettä ja suoloja eli luonnossa tavattuna mineraaleja) saattaa tuntuu hullunkuriselta, kun vaikkapa vichypullon kyljessä lukee joskus, että siinä on natriumia, kaliumia ja hiilihappoa, eivätkä ne ole suoloja. Asian voi ajatella käänteisesti niin, että kaikki vichypuollon vesi ja kaasut haihdutetaan, jolloin pullon pohjalle jää sakkaa, joka sisältää natriumin, kaliumin ja hiilihapon muodostamia kiinteitä yhdisteitä.

Protonit, Na, Cl ja CO₂

Täysin puhtaassakin vedessä on valmiina OH^--ioneja, joita muodostuu vesimolekyylin menettäessä protonin. Huom. oikeaan yläkulmaan kirjoitetaan ionin tai molekyyli varaus. Ja lisäksi niitä irrallisia protoneita, H⁺-ioneja. Oikeastaan H₃O⁺, koska protoni ei voi olla yksin vedessä, joten se on kimpassa vähintään yhden vesimolekyylin kanssa. Vesikemiallisen termodynamiikan mukaan H⁺- ja OH-^-ionien tulo on vakio, joten veden happamoituessa OH^--ionien pitoisuus pienenee.

Veteen liuettuaan ruokasuolan (NaCl) alkuaineet erottuvat toisistaan siten, että kloorille (Cl) jää elektroni ja vastaavasti natriumilta (Na) puuttuu se. Siten vedessä on kloori- (Cl^-) ja natriumioneja (Na⁺). Ilmakehän hiilidioksidi CO₂ liukenee myös veteen reagoiden vesimolekyylien kanssa siten, että veteen syntyy vetykarbonaatti-ioneja (HCO₃^-) ja H⁺-ioneja. Protonien lisääntyminen tarkoittaa veden happamuuden kas-vua eli veden pH-arvo menee reilusti alle arvon 7, jossa H⁺- ja OH^--pitoisuudet ovat tasan. Na⁺-ionit reagoivat myös esim. vetykarbonaatti-ionien kanssa muodostaen uuden yhdisteen eli osaslajin (spesies) NaHCO₃, jonka pitoisuus tässä tapauksessa on hyvin pieni. Jos ruokasuolaa lisää liuokseen, suunnilleen lasillisen suolaa lasilliseen vettä, niin suolaa ei enää liukene lisää, vaan on saavutettu liukoisuusraja. Termodynaamisen mallin mukaan Na- ja Cl-ionien pitoisuuksien tulo on silloin liian suuri. Tulon merkitys tässä on se, että jos jostain syystä liuoksessa on paljon klooria, vaikkapa jonkun muun liuenneen suolan takia, niin vähäisestä natriumin määrästä huolimatta sinne ei enää voi liueta lisää ruokasuolaa.

Vesikemiallinen liuos on hyvin vuorovaikuttava, ”sosiaalinen” eli erilaisten osaslajien käyttäytyminen riippuu monimutkaisella tavalla toisista. Jopa äärimmäisen yksinkertainen vesi & ruokasuola & ilmakehä -systeemi on lopulta aika monimutkainen, etenkin kun edellinen kuvaus on melkoinen yksinkertaistus todellisuudesta. Nämä perusperiaatteet ovat kuitenkin samanlaisia tutkittaessa radionuklideita loppusijoitustilan huokos- ja pohjavedessä.

Tarkempi kuvaus osaslajeista

Termodynamiikan perusteiden mukaan vesikemiallisen systeemin tilan määräävät alkuaineiden mooliosuudet, lämpötila ja paine. Vesiliuoksessa hallitsevat tietenkin veden alkuaineet happi ja vety, mutta vesi on tavallaan passiivinen osapuoli. Tämän takia vesikemiassa käytetään veteen liuennutta happea kuvaamaan systeemin hapetustilaa. Jos happea on paljon kuten ilmakehän kanssa kontaktissa olevassa vedessä ollaan hapettavissa olosuhteissa. Jos happea on vähän tai jopa olemattoman vähän, ollaan pelkistävissä oloissa, tällöin vedessä on usein liuennutta vetyä tai metaania.

Esimerkiksi kompostointi tapahtuu hapellisissa olosuhteissa, kun taas saman materiaalin mädättäminen tapahtuu hapettomissa olosuhteissa, joissa muodostuu meille hapelliseen ympäristöön tottuneille epämiellyttäviä haisevia kaasuja. Pohjavesi on usein hapetonta, jolloin siihen liukenee kahden arvoista rautaa (Fe²⁺), joka joutuessaan hapen kanssa tekemisiin muuttuu kolmenarvoiseksi (Fe³⁺) lähes täysin veteen liukenemattomaksi raudaksi, joka välittömästi muuttuu ruostehiukkasiksi ja samentaa veden, muuttaen sen samalla pahanmakuiseksi. Tämä tai hapettoman ympäristön rikkiyhdisteet ovat monen porakaivon käytännön ongelma. Yksinkertaistaen: hapellisissa olosuhteissa hiilen kaasumainen muoto on hiilidioksidi, hapettomissa olosuhteissa se on metaani, ja hapen on korvannut vety. Rikki on hapellisissa olosuhteissa sulfaattina (SO₄^2-) ja hapettomassa sulfidina (S₂^-). Sulfidi ja sen yhdisteet haisevat. Ydinjätteiden loppusijoitustila on aluksi hapellinen ja lopulta (suurimman osan ajasta) hapeton. Osa radionuklideista esiintyy useassa hapetustilassa riippuen olosuhteiden hapellisuudesta/hapettomuudesta. Hapellinen yhdiste on luovuttanut elektroneja, joten sen hapetusluku (arvoisuus, roomalaisin numeroin) on suurempi kuin hapettoman ionin: hapellinen rauta on kolmenarvoista (Fe(III) tai veteen liuenneena ionina Fe³⁺) ja hapeton kahdenarvoista (Fe(II) tai veteen liuenneena ionina Fe²⁺).

Vedyn mooliosuutta korvaamaan käytetään vesikemiassa pH-arvoa, joka on veteen liuenneiden vetyionien (H⁺ tai H₃O⁺) pitoisuuden logaritmin vastaluku. Tarkempi kuvaus pH:lle vaatii vetyionien aktiivisuuden käsitettä, mutta laimeissa liuoksissa tämä on vain pieni korjaus. Happamassa liuoksessa (pH≈1), vetyatomien pitoisuus on suuruusluokkaa 1 mol/L (1 M), vastaavasti hyvin emäksisessä (pH≈14) liuoksessa vetyionien konsentraatio on olematon (10^-14 M), mutta vastaavasti OH- ionien konsentraatio on noin 1 M. Kuten edellä hapen tapauksessa, hapellisissa olosuhteissa hapen pitoisuus on mitattavissa ole muuttuja (suure), happamissa olosuhteissa vetyionien pitoisuus on mitattavissa ole muuttuja (suure), mutta hapettomissa oloissa hapen pitoisuus on olematon kuten vetyionien emäksisissä olosuhteissa.

Esimerkkejä

Arjessamme hieman hapanta on kahvi (pH noin 5), kuten monet muutkin juomat (Coca Cola jopa varsin hapanta: pH=2,5–3,5), ruosteen- ja kalkinpoistoaineet erittäin happamia (pH noin 1 tai alle), monet pesuaineet (liiankin) emäksisiä (pH noin 13 tai yli). Juomaveden pH on hanasta suoraan laskettuna noin 7,5 eli lievästi emäksistä mikä suojaa vesijohtoputkia korroosiolta, mutta oltuaan riittävän kauan ilman kanssa kontaktissa sen pH laskee noin arvoon 5,6 eli lievästi happamaksi. Ilmakehän hiilidioksidi on siis monessa mukana.

Vesikemiassa pitoisuudet ilmaistaan usein yksikössä mol/L (M), ja pitoisuus ilmaistaan laittamalla ionin tai neutraalin yhdisteen nimi hakasulkujen sisään: [H⁺], [Na⁺], [H2(aq)]. Tällainen tapa on omaksuttu, koska mooliosuuksien suora käyttö olisi varsin kömpelöä, vaikka eksaktimpaa: kilossa vettä on noin 55 moolia, ja ta-kempi kemiallinen kuvaus käyttääkin yksikköä moolia per kilo (molaliteetti, m). Kilo vettä ei kaikissa olosuhteissa vastaa litraa vettä. Mittaustulokset annetaan usein yksikössä mg/L tai g/L. Meriveden suolaisuus eli kaikkien ionien ja neutraalien yhdisteiden summa on noin 35 g/L (0,6 M), mutta Itämeressä se vaihtelee lähes suolattomasta Tanskan salmien 20 g/L, keskimäärin 7 g/L (0,12 M). Pohjaveden suolaisuudessa on suurta vaihtelua: varsin suolattomasta esimerkiksi Olkiluodon syvien pohjavesien yli 80 g/L suolaisuuteen.

Hydratoituminen ja suolaiset liuokset

Vesimolekyylin happiatomin puoleinen pää on lievästi negatiivisesti varattu, kun puolestaan vetyatomien kohdalla on lievä positiivinen varaus. Tällä ominaisuudella on monipuolisia vaikutuksia veden käyttäytymiseen, mutta vesikemiassa kiinnostavinta lienee ionien hydratoituminen: positiivinen kationi on (mutta vain keskimäärin, koska molekyylit ovat koko ajan lämpöliikkeessä) laimeassa liuoksessa vesimolekyylien ympäröimä siten, että happiatomit ovat kohti kationia. Vastaavasti anionin ympärillä vesimolekyylit ovat vetyatomi kohti anionia. Ilmiöllä on suuri vaikutus vesikemiaan, anionit ja kationit käyttäytyvät hieman eri tavoin riippuen myös ionin koosta, suolaisuus vaikuttaa veden ominaisuuksiin, ja kaikki muuttuu vielä vaikeammaksi, kun suolaisuus kasvaa. Tämän takia ionien pitoisuuksia vedessä pitää tarkemmissa matemaattisissa malleissa korjata aktiivisuuksiksi, ja tällainen korjaus on sitä vaikeampi tehdä mitä suolaisempi liuos. Tässä esityksessä ei aktiivisuutta käsitellä.

Hyvin suolainen vesi käyttäytyy varsin erilaisella tavalla kuin laimeammat liuokset, joissa yhtä ionia kohti on monta vesimolekyyliä, jotka ikään kuin ympäröivät ionit. Kovin suolaisessa vedessä voi olla esimerkiksi 1-2 moolia ioneja litrassa, jolloin yhtä ionia kohti riittää enää parikymmentä vesimolekyyliä, jolloin ionien suora vuorovaikutus alkaa olla hyvin voimakasta.

Ydinjätteet: 1.4 Inventaari eli jätteen määrä ja laatu

Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

Yleistä

Ydinvoimalaitosten toiminta-aika on usein hyvin pitkä, jopa yli 60 vuotta. Käytön aikana se tuottaa erilaista ydinjätettä, joista haitallisinta eli käytettyä polttoainetta muutaman kymmenen tonnia vuodessa. Matala-, keski- ja korkea aktiivinen jäte sisältää hyvin erilaisia radionuklideita. Kirjanpitoa näistä radionuklideista kutsutaan inventaariksi, joka vastaa vaikkapa jonkun organisaation omaisuusluetteloa. Ydinjätteiden inventaari on vahvasti ajan mukana muuttuva, koska etenkin aluksi siinä on mukana paljon hyvin lyhytikäisiä radionuklideja, jotka hajoavat toisiksi radionuklideiksi tai stabiileiksi isotoopeiksi. Inventaarin laatiminen ei ole aivan helppoa, koska fissio- ja neutroniaktivointituotteet eivät jakaudu polttoaineessa tasaisesti ja lisäksi inventaari riippuu polttoaineen alkuperäisen koostumuksen lisäksi sen sijainnista ja ajasta reaktorissa, siitä kuinka paljon energiaa nipulla on tuotettu jne. Inventaarin laatiminen on reaktorifyysikoiden työtä ja heillä on varsin hyvät tietokonemallit tehtävän suorittamiseen. Tällaisten mallien tulosten kelpoistaminen (sen varmistaminen, että mallit tuottaa oikeita tuloksia) ei kuitenkaan ole helppo tehtävä, koska käytetyn polttoaineen mittaaminen on haastava ja erikoislaboratoriotiloja vaativaa – Suomessa tällaisia laboratorioita ei tällä hetkellä ole (VTT:n Ydinturvallisuustalo pääse lähimmäksi).

Nuklideja syntyy toiminnan aikana koko ajan lisää, joten inventaaria on jatkuvasti ylläpidettävä, myös laitoksen toiminnan loputtua, koska tämä tieto on ratkaisevan tärkeää ydinjätteiden loppusijoittamisen suunnittelussa ja toteuttamisessa. Neutroniaktivointi muuttaa myös ydinvoimalan rakenteita radioaktiiviseksi, joten käytöstäpoistossa syntyvästä jätteestä osa on radioaktiivista – osa hyvinkin vahvasti, kun taas osa voidaan palauttaa normaaliin kierrätykseen joko heti, pienen odottelun jälkeen tai puhdistettuna.

Inventaari muuttuu ajan mukana, koska radionuklideja hajoaa koko ajan, ja usein syntyvä tytärydinkin on radioaktiivinen, jolloin syntyy hajoamisketjuja. Tällaisessa ketjussa ydin voi vaihtaa varaustaan useasti, jolloin joka kerran myös sitä vastaava alkuaine muuttuu.

Säteily tuottaa myös lämpöä, jonka määrä on käytetyssä polttoaineessa niin suuri, että se vaikuttaa jätteen säilyttämiseen ja loppusijoitukseen. Suomessa käytettyä polttoainetta säilytetään vesialtaissa, jotka tarjoavat tehokkaan tavan ylijäämälämmön poistoon ja samalla säteilysuojaukseen. Varastointi voi myös tapahtua ilman vettä, mutta tällöin pitää lämmön poisto ja säteilysuojaus hoitaa muulla tavoin. Radionuklidien inventaari tuottaa myös tiedon lämmöntuotosta. Siten inventaari antaa tietoa jätteen haitallisuudesta ja sen käyttäytymisestä loppusijoitustilassa, mutta samalla saadaan lämmöntuoton aikakehitys, joka puolestaan määrää loppusijoitustilan koon sellaiseksi, että lämpötila ei missään osassa nouse liian suureksi. Lisäksi inventaaria tarvitaan kriittisyystarkasteluihin eli siitä huolehtimiseen, että ketjureaktiot eivät ala uudelleen missään vaiheessa eikä missään paikassa. Kriittisyystarkastelu on vaikea tehdä, mutta yleensä sopivien olosuhteiden kehittyminen on erittäin epätodennäköistä.

Käytetyn polttoaineen määrä

Käytetyn polttoaineen ominaisuudet annetaan yleensä metallista uraania kohti. Kevytvesireaktoreissa, joita kaikki Suomessa käytössä olevat reaktorit ovat, polttoaine on uraanidioksidia, UO₂, joten metallisen uraanin osuus kokonaismassasta on noin 238/(238+32) = 88 %. Loviisan ydinvoimalaitokset (painevesireaktoreita) tarvitsevat vuodessa polttoainetta metallisena uraanina noin 25 tonnia (tU). Hiukan suurempi määrä 42 tU riittää myös Olkiluodon 1. ja 2. yksiköille, jotka ovat kiehutusvesireaktoreita. Olkiluoto 3, uusin painevesireaktori, puolestaan tarvitsee noin 30 tonnia metallista uraania vuodessa. Yhteensä siis noin 100 tU vuodessa. Voimalaitosten arvioituna käyttöikänä voi pitää 60 vuotta, kaikki ovat nyt käytössä, joten kaiken kaikkiaan jätettä tulisi noin 6 000 tU. Vaikuttaa ehkä paljolta. Uraanidioksidin tiheys noin 11 t/m³, ja sitä olisi siis yhteensä noin 6 800 tonnia, ja sen kokonaistilavuus on siten noin 620 m³, mikä vastaa noin yhtä 25 metrin uima-allasta, jossa kuusi rataa, tai yhtä isoa omakotitaloa. Käytettyä polttoainetta ei siis kumminkaan saa tuolla tavalla pinota tai seuraukset ovat katastrofaaliset. Neljä uusinta VR:n veturia tarvittaisiin kuljettamaan tuo lasti, ja mukana saisi silloin olla polttoaineen kuoretkin.

Paljonko sähköä ja mitä maksaa jätehuolto

Paljonko tuolla uraanimäärällä kyetään tuottamaan sähköä, kun voimalaitosten sähkötehot ovat: Loviisa 1&2 noin 1 000 MW, Olkiluoto 1&2 1 800 MW ja OL3 1 600 MW. Yhteinen teho on siis noin 4 400 MW. Lyhyt kertolasku, jos laitokset toimivat 60 vuotta ja niiden käyttöaste 90 %: 0,9 x 60 x 365 x 24 h x 4400 MW = 2 080 000 000 MWh eli 2 miljardia MWh. Jos tuotannon arvoksi laittaisi 50 €/MWh, niin sähköä tuotettaisiin 100 miljardin verran. Joten vaikka laitoksien rakentaminen on kallista, niin kyllä ne myös tuottavat, jos kaikki menee odotetusti. Jos niin huonosti olisi käynyt, että kaikki tuo sähkö tuotettaisiin kivihiilellä, niin päästöjä tulisi vajaa tonni per MWh eli 2 miljardia tonnia eli puolet vuoden 2019 EU:n hiilidioksidipäästöistä. Ydinvoimasta ei näin suurta etua enää ole, koska sähköntuotannon päästöt ovat uusiutuvien ansiosta pienemässä. Suurin hyöty lienee siinä, että tuotanto ei ole riippuvainen sääoloista tai vuorokauden tai vuodenajasta.

Yhden ihmisen tasolla, Olkiluoto 3 tuottaa 1,5 kg:lla uraania noin 600 MWh sähköä. Tämän voi laskea poistopalamasta eli siitä kuinka paljon energiaa (lämpöä, ei sähköä) kilo uraanimetallia tuottaa ennen kuin se poistetaan voimalaitoksesta. Olkiluoto 3:n tapauksessa poistopalama on noin 45 MWh/d (per vrk). Tästä runsas kolmannes saadaan sähköksi. Suurehkossa kerrostaloasunnossa tarvitaan sähköä saunaan, lattialämmitykseen, astioiden pesuun, vaatteiden pesuun ja ruoanlaittoon helposti 10 MWh vuodessa, joten tuo puolitoista kiloa uraania riittäisi noin 60 vuodeksi. Hiilellä tuotettaessa hiilidioksidia tuotettaisiin noin 500 tonnia.

Jätehuollon hintaa voi arvioida Valtion ydinjätehuoltorahastossa tällä hetkellä (2023 tilinpäätös) olevasta 2,8 miljardin pääomasta, jolla arvioidaan voitavan hoitaa ydinjätteiden loppusijoitus ja ydinvoimalaitosten käytöstäpoisto Suomessa, jonkin häiriön sattuessa. Rahaa on tähän mennessä kulutettu karkeasti arvioiden 1 miljardi euroa, joten kahden miljardin MWh:n sähköntuotannon jätehuolto maksaisi noin 4 miljardia euroa eli 2 €/MWh. Varoitan, että laskelma on karkea: lopullista käyttöikää laitoksille ei tiedetä, eikä myöskään ole helppo arvioida sata vuotta kestävän loppusijoituksen kustannuksia.

Jätteen määriä grammoina

Loppuun vielä esimerkki: käytetyssä polttoaineessa Olkiluodon laitoksessa yhtä uraanitonnia kohti voi arvioida olevan 0,1-0,2 g jodin I-129, 3-4 g Tc-99 ja 100 g Cs-137 isotooppeja. Tämä noin 20 vuoden jäähtymisen jälkeen, joten Cs-137 oli reaktorista poistettaessa ehkä noin 300 g. Nämä luvut ovat vain suuntaa antavia, en takuuta niiden tarkkuudesta. Cs-137:n radioaktiviinen hajoaminen aiheuttaa suuren osan polttoaineen lämmöntuotosta, joka hidastuu nopeasti koska vaikka Cs-137 puoliintumisaika on noin 30 vuotta.

 

Ydinjätteet: 1.3 Säteily ja sen haitat

Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

Yleistä

Säteilyn lajit opittiin tuntemaan 1800- ja 1900-luvun taitteessa. Säteilyä on kahta perustyyppiä: sähkömagneettista ja hiukkassäteilyä. Sähkömagneettista säteilyä on myös valo, mutta eliöille haitallista ovat vain ionisoivat lajit: ultravioletti-, röntgen- ja gammasäteily. Ultravioletille säteilylle altistumme kaikki ulkona aurinkoisena päivänä, mutta ydinjätteiden sähkömagnetismi on röntgen- ja gammasäteilyä.

Hiukkassäteilyn lajit ovat alfa-, beeta- ja neutronisäteily. Alfasäteilyn hiukkanen on heliumatomin (sähköisesti) varattu ydin, beeta koostuu elektroneista tai niiden antihiukkasista positroneista ja neutronisäteily nimensä mukaisesti neutroneista. Hiukkassäteily voi koostua myös muista varatuista tai neutraaleista alkeishiukkasista kuten protoneista, pioneista ja kaoneista (kosminen säteily) tai jopa kokonaisista atomien ytimistä, mutta näitä ei esiinny ydinjätteiden yhteydessä. Pioneissa ja kaoneissa on vain kaksi kvarkkia kolmen sijasta.

Hajoamisessa atomiytimen massa tai varaus tai molemmat muuttuvat. Varauksen muuttuessa vaihtuu myös radionuklidin alkuaine, ja tällä on iso vaikutus radionuklidin käyttäytymiseen. Hajoaminen tapahtuu sillä tavoin satunnaisesti, että tietyn ajan kuluessa aina puolet ytimistä hajoaa. Tätä aikaa kutsutaan puoliintumisajaksi, ja se vaihtelee alle sekunnista aina miljooniin tai miljardeihin vuosiin. Kaikki säteily vaimenee myös nopeasti, kun etäisyys säteilyn lähteeseen kasvaa.

Alfasäteily

Alfasäteily koostuu heliumatomin ytimistä, joten kyseessä on lähes 10 000 kertaa raskaampi hiukkanen kuin elektroni, lisäksi varaus on kaksinkertainen. Täten alfahiukkanen vuorovaikuttaa aineen (elektronien ja ytimien) kanssa varsin tehokkaasti, sillä se osuu voimalla kaikkeen matkalla olevaan. Sen kantama on tästä syystä lyhyt, vain muutama senttimetri ilmassa ja noin 100 mikrometriä ihossa, joten ulkopuolella elimistön haitat ovat vähäiset, mutta vastaavasti alfasäteily elimistön sisällä on tuhoisaa (esimerkiksi radonin tytärytimet keuhkoihin päästyään). Jos säteilylajien vaikutusta vertaa, niin alfasäteilyä voisi ajatella vasaraniskuna: vahinko on suurta, muttei mene kovin syvälle.

Beetasäteily

Beetasäteily koostuu joko elektroneista tai niiden vastahiukkasista positroneista, joten ero röntgen- ja gammasäteilyyn on selvä. Beetasäteily vuorovaikuttaa aineessa olevien elektronien kanssa tehokkaasti, joten säteilyn läpäisy on vähäisempää kuin röntgensäteilyn ja paljon vähäisempää kuin gammasäteilyn. Tämä helpottaa säteilyltä suojautumista, mutta toisaalta säteilevän aineen päästessä eliön sisään lähes kaikki säteilyn energia (ja vahingot soluille) vapautuu riittävän ison eliön sisällä. Jos säteilylajien vaikutusta vertaa, niin beetasäteilyä voisi ajatella puukoniskuna, joka menee syvälle ja aiheuttaa siellä paljon vahinkoa.

Gammasäteily

1800-luvun suurimpia keksintöjä oli yhdistää sähkö ja magnetismi saman teorian alle. Tämän teorian suora seuraus oli ennustaa sähkömagneettinen säteily, joka etenee valonnopeudella – valon ollessa yksi osa-alue tätä säteilylajia. Muut lajit ovat radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, ultraviolettisäteily, röntgensäteily ja gammasäteily. Nämä säteilylajit erottaa toisistaan aallonpituus (siis myös taajuus ja energia), joka radioaalloilla voi olla kilometrejä, valolla hiukan alle mikrometrin ja gammasäteilyllä vain 1 pm (tai vähemmän, jolloin aallonpituus on noin 10 kertaa ison atomiytimen halkaisija.

1900-luvun alussa sekä kokeellinen tutkimus että kvanttiteoria osoittivat, että sähkömagneettinen säteily esiintyy myös hiukkasina (fotoneina), joiden energia on kvantittunut eli yhden fotonin energia riippuu vain sen aallonpituudesta: mitä lyhyempi aallonpituus sitä suurempi energia. Tätä energiaa on erityisesti lyhyillä aallonpituuksilla kätevää esittää elektronivoltteina. Röntgensäteilyn energia-alue alkaa noin yhdestä kiloelektronivoltista ja kovin ydinreaktioiden aiheuttama gammasäteily on yli yhden megaelektronivoltin.

Röntgensäteily on hyvin kudoksia läpäisevää, kuten me kaikki tiedämme röntgenkuvista. Gammasäteily läpäisee kudoksia ja materiaaleja vielä paljon helpommin – koboltin kova gammasäteily läpäisee jopa 10 cm paksun lyijylevyn. Toisaalta näin läpäisevä säteily ei kudokseen osuessaan aiheuta täysimittaista haittaa, vaan yksinkertaisesti suuri osa säteilystä menee läpi vuorovaikuttamatta kudoksen kanssa. Jos säteilylajien vaikutusta vertaa, niin gammasäteily on kuin kiväärinluoti, joka aiheuttaa paljon vahinkoa, mutta kudoksen läpäistyään sillä on edelleen jopa pääosa energiastaan edelleen tallella.

Neutronisäteily ja ketjureaktiot

Neutronisäteily on täysin omintakeista edellisiin verrattuna, koska neutronit vuorovaikuttavat vain atomiydinten ei elektronien kanssa. Atomiydin voi kaapata neutronin (neutroniaktivointi), jolloin se usein muuttuu epästabiiliksi, ja seurauksena on alfa- tai betasäteilyä, jolloin uusi ydin on kokonaan toisen alkuaineen isotooppi. Erikoistapaus neutroniaktivoinnista on fissio, jossa kohdeydin halkeaa kahteen kutakuinkin yhtä suureen osaan (näitä kutsutaan fissiotuotteiksi). Tässä reaktiossa vapautuu runsaasti alkuperäisen ytimen sidosenergiaa erilaisena säteilynä ja hajoamistuotteiden liike-energiana. Lisäksi yleensä vapautuu myös uusia neutroneita, jolloin voi alkaa ketjureaktio.

Uraanin isotooppi U-235 on luonnossa ylivoimaisesti runsaiten esiintyvä fissiili ydin eli tyypillisesti se hajoaa alfahajoamisella, mutta joskus harvoin spontaanilla fissiolla, joka tuottaa keskimäärin 2,5 uutta neutronia. Jos joku näistä neutroneista reagoi U-235:n kanssa, niin reaktiossa syntyy kolme uutta neutronia. Riittävän iso massa, jossa syntyvät neutronit käytetään uusiin fissioreaktioihin eli neutronit eivät karkaa ulos massasta, synnyttää ketjureaktion. Ydinvoimaloissa ketjureaktio pidetään hallinnassa siten, että riittävän iso osa neutroneista karkaa tai sidotaan. Ydinreaktion hallinta vaatii lisäksi neutronien hidastamista, ja on siten mutkikas hallittava. Fissioydinpommissa pyritään päinvastaiseen eli mahdollisimman iso osa neutroneista pitää saada uuteen fissioreaktioon ennen pommin lopullista hajoamista sen räjähtäessä. Neutronit reagoivat myös U-238:n kanssa, sekä näiden reaktioiden tuottamien aktinidien kanssa, osa näistä on fissiokelpoisia.

Kriittisyys

Myös ydinjätteiden loppusijoituksen eri vaiheissa on huolehdittava siitä, että jäte ei missään tilanteessa muutu kriittiseksi eli ketjureaktiot pääsevät alkuun. Seurauksena olisi runsaasti säteilyä ja sitä myötä lämmöntuottoa, jolloin jätteen ja sen ympäristön olomuoto voi muuttua monimutkaisella tavalla. Radionuklidien vapautuminen pohjaveteen voisi tällöin olla hyvinkin tehokasta. Lisäksi ketjureaktio tuottaisi runsaasti lisää uusia radionuklideita, joista osa olisi joka tapauksessa jätepakkauksen ulkopuolella. Tällainen kriittisyystapahtuma on kuitenkin ydinjätteiden tapauksessa arvioitu erittäin epätodennäköiseksi, mutta tätäkin ilmiötä tutkitaan jatkuvasti lisää. Ydinvoiman tuotannossa ja ydinaseiden kehittämisessä kriittisyysonnettomuuksia on tapahtunut, enkä nyt tarkoita isoja ydinvoimalaonnettomuuksia.