Kunskapsläget om kärnavfallsförvar i djupa borrhål. Karin Högdahl docent berggrundsgeologi, Uppsala universitet

Transkript

1 Kunskapsläget om kärnavfallsförvar i djupa borrhål Karin Högdahl docent berggrundsgeologi, Uppsala universitet

2 Variationer med djupet (SKB) + Torrare berg med lägre vattenomsättning + Högre salthalt (tyngre vatten) ± Högre temperatur (ca. 15 C/km) - Högre bergspänningar

3 Konceptet kärnavfallsförvar i djupa borrhål Betong mellan foderrör och hålvägg Mellanliggande foderrör Betongplugg (100 m) Placering på 3-5 kilometers djup i kristallin berggrund (gnejs och granit) 1,5 km Övre fodertätning och pluggningszon Bridgeplugg Borrhålens diameter på förvaringsdjup är mm Betongpluggar (150 m) Tätning med betong, bentonit och asfalt Nedre ofodrade tätning och pluggningszon Återfyllning Betong Sand/bergkross Ballast Bentonit (150 m) 3 km Bridgeplugg Deponeringszon (SKB) Figur 6-2. Tätning och pluggning av borrhål. Baserad på Arnold et al. (2011). Observera att figuren inte är skalenlig.

4 Fördelar med djupa borrhål Berggrunden har låg permeabilitet (är tät) Låg sprickfrekvens Låg syrehalt (motverkar oxidation) Salt vatten (tungt och transporteras inte uppåt) Konstruktionen är förhållandevis liten För svenska förhållanden behövs en area på ca 5 km 2 Kort anläggningstid Kapselns integritet är mindre kritisk

5 Nackdelar med djupa borrhål Metoden är inte färdigutvecklad Inga fullskaliga försök utförda Endast det djupa borrhålet i Outokumpu (2 500 m) är utförd i berggrund som motsvarar svenska förhållanden Bergmekaniska förhållanden på 3-5 km djup är dåligt kända Stora risker i anslutning till deponering

6 Kunskaper från Outokumpu Utfört i forskningssyfte Borrhålet är rakt Saltvatten förande sprickor på m djup Isolerade från ytan Uppsprucket berg på m djup (GTK) Sprickigheten beror inte bara på djupet utan även på bergartstypen (litologin) Mikroorganismer på alla djup som kn omvandla sulfat till sulfid som i sin tur kan påverka kapseln

7 Bergspänningar 1000 m 2000 m Ø = 609 mm Ø = 445 mm Spänningar i berget medför utfall i borrhålet SH Höga bergspänningar ökar risken för utfall framför allt under borrningen Större risk med grövre borrhål Borren kan fastna och rasområdet måste tätas innan deponering 3000 m 4000 m Figur 5-1. Principiell bild visande geometrisk förändring av borrhål på grund av bergspänningar. Normalt ökar problemen med djupet. SH = Största horisontella huvudspänningen. Sh = Minsta horisontella huvudspänning. 5.2 Referensprojekt Projektbeskrivning och resultat från väsentliga referensprojekt redovisas i kronologisk ordning nedan Kola, världens djupaste borrhål m NEDRA Sh Det ryska borrföretaget Nedra har lång och omfattande erfarenhet av vetenskapliga undersöknings - borrningar till stora djup. Man har bland annat utfört världens djupaste borrhål ( m) på Kolahalvön och ett (2 516 m) djupt borrhål i Finland men har också arbetat med ett ryskt koncept för deponering av radioaktivt material i djupa borrhål. SH Sh Figur 5-8. Bedömd modell för spjälkning i borrhålet. Bergspänningarna bedöms vara högre i intakt berg (SKB) jämfört med i sprickzoner (A). Sh avser den minsta horisontella bergspänningen, SH den största horisontella bergspänningen och Sv den vertikala bergspänningen. (Juhlin 1991). Borrhålsstabilitet och borrhålsriktning Borrhålen kan deformeras vilket ger problem för deponeringen (kapseln kan fastna) Ett instabilt borrhål var det största problemet under borrningen av Gravber g-1. Många gånger var vridmomentet så stort nere i borrhålet att det inte gick att rotera borrsträngen och vid flera tillfällen gick borrsträngen av. För att stabilisera borrhålet blev det vid några tillfällen nödvändigt att gjuta igen vissa delar av borrhålet med cement och sedan borra om dessa avsnitt; detta utfördes bland annat vid m djup. För att begränsa utfallen, stabilisera borrhålet och minska ellipticiteten ökades tyngden på borr - vätskan kontinuerligt under m. Med en ökande vikt begränsades utfallen något.

8 Temperature increase (C) Absolute Temperature (C) Temperaturutveckling - modellering T ime (year s) Figure 2. Semi-log plot of surface temperature of canisters vs. time for the middle of the borehole (depth of 4 km). (Lubchenko The initial temperature m.fl. at 2013) this depth is 70 C. The left vertical axis indicates temperature increase compared to the initial temperature. The right vertical axis indicates absolute temperature. FUTURE WORK A fully coupled model of deep borehole disposal can provide important data to improve current recommendations for the location of the repository. Future work includes implementation of water flow, coupling of the rock mechanical properties to thermal parameters, accounting for advection of radionuclides by the flow, and sensitivity studies with 1:a respect to host rock properties. ACKNOWLEDGEMENTS The authors gratefully acknowledge the funding provided by the DOE NEUP program, and the help of MOOSE developers and its user community. REFERENCES 1:a 1. E. BATES, E. BAGLIETTO, M.J. DRISCOLL, J. BUONGIORNO, Onset and Stability of Natural Convection in Deep Boreholes, IHLRWMC, Albuquerque, NM, April 28-May 2, D. GASTON et.al. MOOSE Workshop Training Manual. Idaho National Laboratory, January D. GASTON, C. NEWMAN, G. HANSEN, and D. LEBRUN-GRANDIÉ. MOOSE: A parallel computational framework for coupled systems of nonlinear equations. Nucl. Eng. Design, 239, , (2009). 4. E. BATES, J. BUONGIORNO, E. BAGLIETTO, M.J. DRISCOLL, 2012, Transient thermal modeling of a deep (Arnold & Hagdu 2013) 2:a BVR results: 2D results: P = 100 m P = 200 m single borehole P = 100 m P = 200 m 5. B.W. ARNOLD and T. HADGU, Thermal-Hydrologic Modeling of a Deep Borehole Disposal System, IHLRWMC 2013, Albuquerque, April 28, :a 200 m mellan hålen Två termala pulser 1:a relaterad till enskilda borrhål 2:a samverkande effekt mellan flera borrhål. Kan ge förhöjda temperaturer i > år Större 2:a värmepuls om borrhålen är placerade nära varandra (<100 m) Temperaturökningen kan orsaka att saltvattnet rör sig uppåt i borrhålen Är en kapsel skadad kapsel ökar risken för spridning av radionukleider

9 Berggrunden har låg permeabilitet (är tät) Sammanfattning + - Metoden är inte färdigutvecklad Låg sprickfrekvens Låg syrehalt (motverkar oxidation) Salt vatten (tungt och transporteras inte uppåt) Konstruktionen är förhållandevis liten Kort anläggningstid Reducerad risk för spridning av radionukleider om en kapsel skadas Inge risk för intrång Inga fullskaliga försök utförda Bergmekaniska förhållanden på 3-5 km djup är dåligt kända Berggrunden kan vara sprickrik på stora djup Borrhålen kan deformeras Värmeutvecklingen kan leda till att det salta vattnet på stora djup rör sig uppåt som kan transportera radionukleider Stora risker i anslutning till deponering