Hoe landen hun nucleair afval moeten beheren: Strategieën voor radionuclide jodium-129

Massastroom en vrijlating van I-129 per 1 GWe-jaar elektriciteitsproductie vanuit de referentie PWR. Er zijn drie opties: Optie 1: Verbruikte nucleaire brandstof (SNF) wordt direct naar de HLW-opslagplaats gestuurd. Optie 2: SNF wordt gerecycled met de verwijdering van I-129 door middel van vloeistofscrubbing. Optie 3: SNF wordt gerecycled met de verwijdering van I-129 door gasfilters met een efficiëntie van 99%. De groene kolommen vertegenwoordigen de huidige en toekomstige vrijlatingen in de biosfeer (na 100 jaar en 1.000–1 miljoen jaar).

Een van de hoogste risicocomponenten van nucleair afval is jodium-129 (I-129), dat miljoenen jaren radioactief blijft en zich ophoopt in de menselijke schildklieren wanneer het wordt ingenomen. In de VS is het de bedoeling dat nucleair afval met I-129 wordt afgevoerd naar diep ondergrondse opslagplaatsen, waarvan wetenschappers zeggen dat ze het voldoende zullen isoleren.

Tegelijkertijd geeft Frankrijk routinematig laagradioactieve effluenten met jodium-129 en andere radionucliden vrij in de oceaan. Frankrijk recyclet zijn verbruikte nucleaire brandstof, en de herverwerkingsinstallatie loost jaarlijks ongeveer 153 kilogram jodium-129, onder de Franse regelgeving.

Is verdunning een goede oplossing? Wat is de beste manier om met verbruikte nucleaire brandstof om te gaan? Een nieuwe studie van MIT-onderzoekers en hun samenwerkende wetenschappers bij nationale laboratoria kwantificeert de vrijlating van I-129 onder drie verschillende scenario’s: de Amerikaanse aanpak van directe verwijdering van verbruikte brandstof in diep ondergrondse opslagplaatsen, de Franse aanpak van verdunning en vrijlating, en een aanpak die filters gebruikt om I-129 te vangen en deze in ondiepe ondergrondse afvalopslagplaatsen te verwijderen.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Sustainability. De onderzoekers ontdekten dat de huidige praktijk van herverwerking in Frankrijk ongeveer 90% van het I-129-afval in de biosfeer vrijgeeft. Ze vonden lage niveaus van I-129 in het oceaanwater rond Frankrijk en de voormalige herverwerkingslocaties van het VK, waaronder het Kanaal en de Noordzee. Hoewel het lage niveau van I-129 in het water in Europa niet als een gezondheidsrisico wordt beschouwd, resulteert de Amerikaanse aanpak van diepe ondergrondse verwijdering in veel minder vrijlating van I-129, ontdekten de onderzoekers.

De onderzoekers onderzochten ook de effecten van milieuregels en technologieën met betrekking tot het beheer van I-129, om de afwegingen te verhelderen die gepaard gaan met verschillende benaderingen wereldwijd. “Het is belangrijk om deze elementen samen te voegen om een compleet beeld van jodium-129 te geven,” zegt MIT-assistent professor Haruko Wainwright, een van de hoofdauteurs van het artikel die een gezamenlijke aanstelling heeft in de afdelingen Nucleaire Wetenschappen en -Engineering en Civiele en Milieu-Engineering.

“Er zijn wetenschappers die hun leven besteden aan het opruimen van jodium-129 op verontreinigde locaties. Deze wetenschappers zijn soms geschokt te horen dat sommige landen zoveel jodium-129 vrijgeven. Dit werk biedt ook een levenscyclusperspectief. We kijken niet alleen naar de uiteindelijke verwijdering en vast afval, maar ook naar wanneer en waar de vrijlating plaatsvindt. Het voegt alle stukjes samen.”

MIT-afgestudeerde student Kate Whiteaker SM ’24 leidde veel van de analyses samen met Wainwright. Hun co-auteurs zijn Hansell Gonzalez-Raymat, Miles Denham, Ian Pegg, Daniel Kaplan, Nikolla Qafoku, David Wilson, Shelly Wilson en Carol Eddy-Dilek.

Afvalbeheer Iodine-129 is vaak een belangrijk aandachtspunt voor wetenschappers en ingenieurs bij het uitvoeren van veiligheidsbeoordelingen van nucleaire afvalopslagplaatsen over de hele wereld. Het heeft een halveringstijd van 15,7 miljoen jaar, hoge milieumobiliteit en kan mogelijk kanker veroorzaken als het wordt ingenomen. De VS stelt een strikte limiet aan de hoeveelheid I-129 die mag worden vrijgegeven en aan de hoeveelheid I-129 die in drinkwater aanwezig mag zijn: 5,66 nanogram per liter, het laagste niveau van radionucliden.

“Iodine-129 is zeer mobiel, dus het is meestal de grootste dosisbijdrager in veiligheidsbeoordelingen,” zegt Wainwright. Voor de studie berekenden de onderzoekers de vrijlating van I-129 over drie verschillende afvalbeheersstrategieën door gegevens van huidige en voormalige herverwerkingslocaties te combineren met modellen en simulaties van opslagplaatsen.

De auteurs definieerden de milieu-impact als de vrijlating van I-129 in de biosfeer waaraan mensen blootgesteld kunnen worden, evenals de concentraties in oppervlaktewater. Ze meetten de vrijlating van I-129 per totale elektrische energie die door een 1-gigawatt elektriciteitscentrale gedurende een jaar wordt opgewekt, aangeduid als kg/GWe.j.

Onder de Amerikaanse aanpak van diepe ondergrondse verwijdering met barrièresystemen, aangenomen dat de barrièrecanisters falen na 1.000 jaar (een conservatieve schatting), vonden de onderzoekers dat 2,14 x 10^-8 kg/GWe.j van I-129 tussen 1.000 en 1 miljoen jaar vanaf nu zou worden vrijgegeven.

Ze schatten dat 4,51 kg/GWe.j van I-129, of 91% van het totaal, in de biosfeer zou worden vrijgegeven in het scenario waarin brandstof wordt herverwerkt en de effluenten worden verdund en vrijgegeven. Ongeveer 3,3% van I-129 wordt gevangen door gasfilters, die vervolgens als laagradioactief afval in ondiepe ondergrondse opslagplaatsen worden afgevoerd. Een verdere 5,2% blijft in de afvalstroom van de herverwerkingsinstallatie, die vervolgens als hoogradioactief afval wordt afgevoerd.

Als het afval wordt gerecycled met gasfilters om I-129 direct vast te leggen, wordt 0,05 kg/GWe.j van de I-129 vrijgegeven, terwijl 94% wordt afgevoerd naar de opslagplaatsen voor laagradioactief afval. Voor ondiepe verwijdering wordt aangenomen dat enige menselijke verstoring en binnendringen zal plaatsvinden nadat de controle door de overheid of instelling is verlopen (meestal 100–1.000 jaar). Dit resulteert in een potentieel vrijkomen van de afgevoerde hoeveelheid in het milieu na de controleperiode.

Al met al geeft de huidige praktijk van recycling van verbruikte nucleaire brandstof de meerderheid van I-129 vandaag de dag vrij in het milieu, terwijl de directe verwijdering van verbruikte brandstof ongeveer 1/100.000.000 van die hoeveelheid gedurende 1 miljoen jaar vrijgeeft. Wanneer de gasfilters worden gebruikt om I-129 te vangen, gaat de meerderheid van I-129 naar ondiepe ondergrondse opslagplaatsen, die mogelijk per ongeluk kunnen worden vrijgegeven door menselijke binnendringing in de toekomst.

De onderzoekers kwantificeerden ook de concentratie van I-129 in verschillende oppervlaktewaters nabij huidige en voormalige brandstofherverwerkingsfaciliteiten, inclusief het Kanaal en de Noordzee nabij herverwerkingsinstallaties in Frankrijk en het VK. Bovendien analyseerden ze de Columbia-rivier in de VS, stroomafwaarts van een locatie in de staat Washington waar materiaal voor nucleaire wapens werd geproduceerd tijdens de Koude Oorlog, en bestudeerden ze een soortgelijke locatie in South Carolina.

De onderzoekers vonden veel hogere concentraties van I-129 binnen de locatie in South Carolina, waar de laagradioactieve effluenten ver van belangrijke rivieren werden vrijgegeven en daardoor resulteerden in minder verdunning in het milieu.

“We wilden de milieu-invloed en de impact van verdunning kwantificeren, die in dit geval de concentraties meer beïnvloedde dan de lozingen,” zegt Wainwright. “Iemand zou onze resultaten kunnen interpreteren als dat verdunning nog steeds werkt: het vermindert de concentratie van de verontreinigende stof en verspreidt deze over een groot gebied. Aan de andere kant heeft onvolmaakte verwijdering in de VS geleid tot lokaal hogere concentraties van oppervlaktewater. Dit biedt een waarschuwend verhaal dat verwijdering verontreinigingen kan concentreren en zorgvuldig moet worden ontworpen om lokale gemeenschappen te beschermen.”

Brandstofcycli en beleid Wainwright wil niet dat haar bevindingen landen ontmoedigen om nucleaire brandstof te recyclen. Ze zegt dat landen zoals Japan van plan zijn om verhoogde filtratie te gebruiken om I-129 vast te leggen wanneer ze verbruikte brandstof herverwerken. Filters met I-129 kunnen als laagradioactief afval worden afgevoerd volgens de Amerikaanse regelgeving.

“Aangezien I-129 een interne kankerverwekkende stof is zonder sterke doordringende straling, zou ondiepe ondergrondse verwijdering passend zijn in lijn met ander gevaarlijk afval,” zegt Wainwright. “De geschiedenis van milieubescherming sinds de jaren zestig verschuift van afvaldumping en -vrijlating naar isolatie. Maar er zijn nog steeds industrieën die afval in de lucht en water lozen. We hebben gezien dat ze vaak leiden tot problemen in ons dagelijks leven—zoals CO2, kwik, PFAS en anderen—vooral wanneer er veel bronnen zijn of wanneer bioaccumulatie optreedt.

“De nucleaire gemeenschap loopt sinds de jaren vijftig voorop in strategieën en technologieën voor afvalisolatie. Deze inspanningen moeten verder worden verbeterd en versneld. Maar tegelijkertijd, als iemand geen nucleaire energie kiest vanwege afvalproblematiek, zou dat andere industrieën aanmoedigen met veel lagere milieunormen.”