1997

Kumpulainen, Heikki

Raportissa käsitellään käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitustilassa tapahtuvia hapetus-pelkistysreaktioita, hapetus-pelkistysreaktioiden perusteita sekä hapetus-pelkistys-kinetiikkaa. Esille tuodaan hapetus-pelkistysolosuhteiden kehitys loppusijoitustilassa, säteilyn aiheuttamia radiolyysiprosesseja, käytetyn polttoaineen liukenemisreaktiota ja kuparikapselin syöpymisreaktioita. Loppusijoitustilassa tapahtuvien mutkikkaiden hapetus-pelkistysilmiöiden ymmärtäminen on merkittävää loppusijoituksen pitkän aikavälin turvallisuuden arvioimisessa. Loppusijoitustilan hapetus-pelkistysolosuhteiden voidaan odottaa muuttuvan alku-vaiheen lämpimästä hapettavasta jäähtyneeseen pelkistävään ympäristöön. Kapselin murtumisen jälkeen vesi joutuu kosketukseen käytetyn polttoaineen kanssa ja säteilyn aiheuttama veden radiolyysi alkaa tuottaa hapettimia ja pelkistimiä, joista hapettimet ovat reaktiivisempia. Käytetyn polttoaineen liukeneminen ja samalla polttoainematriisin sisältämien radio-nuklidien vapautuminen riippuu voimakkaasti hapetus-pelkistys-olosuhteista. Pelkistä-vässä ympäristössä UO2 on hyvin niukkaliukoinen, mutta hapettavassa ympäristössä liukoisuus voi kasvaa kertaluokkia. Loppusijoitustilaan liittyy suuri metallisesta raudasta johtuva pelkistyskapasiteetti, joka auttanee polttoainematriisin uraania ja monivalenttisia radionuklideja pysymään niukkaliukoisissa muodoissaan Vaikka käytetyn polttoaineen ympäristö olisi pelkistävä, polttoaineen pinnalla voivat vallita hapettavat olosuhteet a-säteilyn aiheuttaman veden radiolyysin vuoksi. Kupari on termodynaamisesti stabiili kapselimateriaali sellaisissa lievästi pelkistävissä ja lievästi alkaalisissa olosuhteissa, joiden voidaan odottaa vallitsevan loppu-sijoitustilassa. Pelkistävissä olosuhteissa ainoana merkittävänä kuparin syöpymistä aiheuttavana tekijänä pidetään sulfidia, joka voi olla peräisin bentoniitista tai pohjavedestä. Reaktantin ja reaktiotuotteiden rajoitettu aineensiirto bentoniitissa hidastaa voimakkaasti syöpymisreaktioita.