Luonnon radionuklidivirrat

Luonnon radionuklidivirtojen perim-mäisenä syynä on radionuklideja sisäl-tävän kallioperän hidas rapautuminen, jolloin radionuklidit vapautuvat veden kuljetettavaksi. Tämän jälkeen radio-nuklidit ovat osa maapallon laajuista geokemiallista kiertoa, vrt. luku 3.2.

Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoi-tuksen turvallisuusanalyysissa lasketaan myös biosfääriin purkautuva aktiivi-suusvirta (Bq/a). Tämän lasketun tuloksen vertailukohdaksi sopivat hyvin kyseiseltä loppusijoituspaikalta mitatut paikalliset luonnonmukaiset radionukli-divirrat. Maapallon laajuisen geo-kemiallisen kierron yleiset virrat ovat tässä hyödyllistä tausta-aineistoa.

Ruotsissa on tutkittu SITE-94 turvalli-suusanalyysiin liittyen Äspön maanalai-sen kalliolaboratorion ympäristön luon-nollisia radionuklidivirtoja verraten sys-temaattisesti (ks. esim. Miller ym. 1996, 1997). Valittu paikka sopi näihin tutki-muksiin hyvin, koska se oli kyseisen turvallisuusanalyysin referenssipaikka.

Näissä tutkimuksissa on kartoitettu loppusijoituksen turvallisuusanalyysin kannalta keskeisimpiä alkuainevirtoja.

Pohjaveden virtauksen kuljettama radio-nuklidivirta saadaan yksinkertaisesti kertomalla veteen liuenneen radionukli-din pitoisuus (g/m3) pohjaveden virtaa-malla (m3/a). Virtaaman sijasta laskel-massa on kuitenkin helpointa käyttää tietyn pinta-alan yli laskettua

virtaama-nopeutta (m3/m2/a). Tällöin radionuk-lidivirrasta tulee vuo (g/m2/a).

Pohjaveden virtauksen kuljettaman radionuklidikuorman laskeminen edel-lyttää, että tutkittavan paikan hydro-logiset olosuhteet tunnetaan. Ensinnäkin on tunnettava tutkittavan alueen hydrau-linen gradientti eli virtauksen liikkeelle paneva voima (virtaus tapahtuu aina korkeammasta potentiaalista alempaan, ts. "alamäkeen"). Toiseksi on tunnettava mallinnettavan kalliotilavuuden veden-johtavuus. Virtaamanopeus saadaan näiden kahden parametrin tulona.

Jääkauden aiheuttama kallioperän eroo-sio vapauttaa erodoituneen massan sisältämät radionuklidit. Massavirran laskeminen tapahtuu yksinkertaisesti kertomalla kallioperän sisältämän radionuklidin pitoisuudella (g/kg) tietyn ajanjakson yli erodoitunut massa.

Erodoitunut massa saadaan kertomalla eroosionopeus (m/a) tarkastelupinta-alalla ja kallion tiheydellä (noin 2 700 kg/m3). Miller ym. arvioivat jääkausi-eroosion arvoksi 0,34 mm/a. Jääkausi-eroosion nopeuden tarkka arvioiminen on erittäin vaikeaa, mutta yleensä Suomessa on arvioitu, että yksi jääkausi kuluttaa kallioperää korkeintaan 10 m.

Olettamalla jääkausijakson pituudeksi 100 000 vuotta saadaan jääkausi-eroosion ylärajaksi 1·10-4 m/a.

Nykyisen, jääkausien välisen ajan, kallioperän eroosion ja rapautumisen aiheuttaa pohjoisilla leveysasteilla lä-hinnä kaksi mekanismia. Kallion me-kaaninen eroosio on etupäässä pakkas-eroosiota, joka aiheutuu veden jäätymi-sestä kallion pinnan pieniin halkeamiin.

Kemiallinen rapautuminen johtuu kal-liomatriisin mineraalien kemiallisista reaktioista sadeveden kanssa. Sadevesi

on usein lievästi hapanta ja voimak-kaasti hapettavaa.

Miller ym. (1997) arvioivat mekaanisen ja kemiallisen eroosion yhteenlasket-tuna olevan noin 1,5·10-6 m/a.

Tämänkin suureen tarkka arvioiminen on erittäin vaikeaa, koska varsinkin kemiallinen rapautumisnopeus riippuu kiven mineraalikoostumuksesta, mikä voi vaihdella paikasta toiseen. Palmotun luonnonanalogiahankkeessa arvioitiin mekaanisen eroosion nopeudeksi 1·10-6 m/a ja kemiallisen rapautumisen nopeudeksi 5·10-6 m/a (vrt. Blomqvist ym. 2000).

Joet kuljettavat mukanaan radionuk-lideja periaatteessa kolmella tavalla:

veteen liuenneena, vedessä olevina hie-noina hiukkasina (kolloideina) ja pohjaa pitkin hitaammin etenevinä suurempina hiukkasina. Yleisessä kielenkäytössä joen kuljettama massavirta tarkoittaa kahta ensimmäistä. Sen laskeminen on periaatteessa suoraviivaista: joen virtaa-ma (m3/a) kerrotaan radionuklidipitoi-suudella (g/m3).

Kokonaisvaltaisen luonnollisen paikka-kohtaisen radionuklidivirran laskemi-seksi oikein on vältettävä saman massa-virran laskemista useampaan kertaan.

Esimerkiksi joissa kulkeva kuorma on johdettavissa suurelta osin kallioperästä rapautuneesta määrästä.

Miller ym. (1997) vertasivat tietyn pinta-alan yli tapahtuvaa radionuklidien virtaa, toisin sanoen radionuklidien vuota pohjaveden virtaukselle, jääkausi-eroosiolle ja nykyiselle jääkausi-eroosiolle.

Tuloksena oli, että esimerkiksi uraanille jääkausieroosio aiheuttaa selvästi

suu-rimman vuon²³ (noin 10 - 2 gU/m2/a), nykyeroosion aiheuttama vuo on yli kaksi kertaluokkaa pienempi (noin 10 -5 gU/m2/a). Pohjaveden virtauksen aiheuttama vuo (noin 10-7 gU/m2/a) on edelleen noin kaksi kertaluokkaa pienempi kuin nykyeroosion aiheuttama vuo.

Pohdittaessa luonnollisten radionukli-dien virtaa vertailukohteena loppusijoi-tustilan turvallisuusanalyysissa laske-tuille, tärkeä kysymys, joka on ratkais-tava ennen "luonnollisten kriteerien"

käyttöönottoa, on se ajanjakso, jonka yli luonnollisia radionuklidivirtoja tar-kastellaan. Tämä ratkaisee nimittäin näiden virtojen absoluuttisen tason.

Mikäli jääkaudet, ja siis jääkausi-eroosio, otetaan huomioon, ovat luon-nolliset radionuklidivirrat noin sataker-taiset verrattuna tapaukseen, jossa vain nykyinen kallion eroosio otetaan huo-mioon.²⁴

5.3.1 Luonnon analogiat Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoi-tustilaa ei vielä ole fyysisesti olemassa, mutta sille on kuitenkin etukäteen tehty laskennallisia turvallisuusanalyyseja.

Loppusijoitustilaa ei siis voi tutkia kokeellisesti, minkä vuoksi luonnosta on etsitty sen omia järjestelmiä, jotka muistuttavat joltain osin loppusijoitus-järjestelmää. Uraaniesiintymä

23 Tässä vuo on ilmoitettu grammoina uraania neliömetriä ja vuotta kohti.

24 Miller ym. (1997) tarkasteli vain suoria kallion eroosion aiheuttamia uraanivirtoja.

Tarkemmassa, esim. vesistöön purkautuvassa massavirran analyysissa tulisi tarkastella myös maaperän erodoitumisen aiheuttamia uraani-virtoja, koska kallioeroosiossa vapautuva aines jää osin maaperään, josta vapautuu vähitellen liukoiseen muotoon.

kalliossa on esimerkki sopivasta luonnon järjestelmästä, jota on tutkittu Suomessakin (Blomqvist ym. 2000).

Näitä luonnon analogioiksi kutsuttuja kohteita tutkitaan, koska ne muistuttavat loppusijoitusjärjestelmää ja näin ollen analogiasta saatavat tutkimustulokset pätevät yhteisiltä osin myös itse loppu-sijoitusjärjestelmään. Erityisen arvok-kaita luonnon analogiat ovat, koska prosessit ovat tapahtuneet pitkien ajan-jaksojen kuluessa ja täysin luonnon olo-suhteissa. Tällaisia kokeita ei voi miten-kään tehdä ihmisiän mittaisina ajan-jaksoina laboratoriossa eikä kallioperä-tutkimuksissa. Esimerkiksi toistuvien jääkausien vaikutuksia voidaan tutkia luonnon analogioista, koska tutkittavat paikat ovat käyneet läpi kaikki Suomessa olleet jääkaudet.

Suomessa eniten tutkittu luonnon analogia on Palmotun uraaniesiintymä, joka on kaikkiaan noin 1,7 miljardia vuotta vanha. Uraania esiintymässä on noin 1 000 tonnia epäsäännöllisinä juo-nina, jotka ulottuvat maanpinnalta aina-kin 300 metrin syvyyteen. Palmotun kallioperän ylimmässä 100 metrissä val-litsevat hapettavat ja alempana pelkis-tävät pohjavesiolosuhteet (Blomqvist ym. 2000).

Palmotussa on toteutettu laaja paikka-tutkimusohjelma, jonka tuloksena on saatu perusteltu käsitys uraanipitoi-suuksista kallioperän ja biosfäärin eri osissa. Taulukkoon 5.1 on koottu yhteen eräitä tämän työn kannalta kiinnostavia Palmotussa havaittuja yleisiä uraani-pitoisuuksia.

Taulukko 5.1 Palmotussa mitattuja uraanipitoisuuksia pohjavedessä, pintavedessä, järvisedimentissä ja turpeessa. Pohjavesipitoisuuksien osalta arvot ovat tyypillisiä suuruusluokkia, koska vaihtelu lukuisissa mittauspisteissä oli huomattava (vrt.

Blomqvist ym. 2000).

Uraanilähde Uraanipitoisuus Kommentti

Hapettava pohjavesi 1·10-1 gU/m3 Ylin 100 metrin kerros kallioperässä

Pelkistävä pohjavesi 1·10-3 gU/m3 100 metrin alapuolinen kerros kallioperässä Järvivesi 2·10-4 gU/m3 Palmottujärven tilavuus noin 500 000 m3 Järvisedimentti 8·10-3 gU/kg Pitoisuus ilmoitettu kuivapainoa kohti Suo Palmottupuron varrella 9·10-2 gU/kg Pitoisuus ilmoitettu kuivapainoa kohti Suo Palmottujärven vierellä 2·10-3 gU/kg Pitoisuus ilmoitettu kuivapainoa kohti

Palmotun biosfäärin osalta järvi-sedimentti sisälsi kokonaisuutena noin 130 kgU ja suot noin 80 kgU ja 20 kgU.

Järviveden jopa pelkistäviä pohjavesiä pienempi uraanipitoisuus viittaa siihen, että se saa suurimman osan vedestään muualta kuin Palmotun hapettavasta pohjavedestä, sekä että tämä vesi

sisältää varsin vähän uraania. Suo-turpeiden uraanipitoisuudet ovat myös verrattain alhaisia, mikä niinikään viittaa siihen, että kyseiset suot eivät ole uraanipitoisten hapettavien pohjavesien keskeisiä purkautumispaikkoja.

5.4 Kansainvälisiä