Výstavba a provoz Podzemního výzkumného pracoviště Bukov

Úvod

Hlubinné úložiště, které bylo představeno v rámci článku v čísle 11/2022, je unikátním multidisciplinárním projektem zahrnujícím i rozsáhlou přípravnou fázi trvající až desítky let [1]. SÚRAO, zodpovědná za program hlubinného úložiště, se inspirovala jinými pokročilými zahraničními programy přípravy hlubinných úložišť a realizuje vlastní výzkumné, vývojové a demonstrační aktivity v podzemních laboratořích nacházejících se na našem území. PVP Bukov se řadí mezi generické podzemní laboratoře. Ty jsou charakteristické tím, že se nenacházejí v místech určených pro výstavbu hlubinného úložiště a jsou důležité v počátečních fázích programů hlubinných úložišť. Opuštěné nebo staré důlní dílo nemůže být samo o sobě využito jako úložiště radioaktivních odpadů, protože tato důlní díla nesplňují geometrické požadavky a prostorové uspořádání na hlubinné úložiště. Může se však využít pro zbudování výzkumného pracoviště, kde je možné bez omezení zasahovat do horninového masivu, například vrtnými pracemi nebo testovací ražbou, a provádět experimenty bez obavy nevratného poškození a znehodnocení horniny.

Princip bezpečného hlubinného úložiště obnáší výběr co nejkvalitnějšího celistvého bloku horniny bez přítomnosti mocných poruchových zón a co nejšetrnější způsob vytvoření důlního díla s minimalizací destruktivních zásahů do horniny. Kromě toho harmonogram přípravy a výstavby úložiště nezahrnuje některé experimentální činnosti. Důležitost včasné přípravy a otestování technických řešení v horninovém prostředí v současnosti stoupá se vzrůstající důležitostí jaderné energie pro ČR a některými nařízeními EU, díky kterým je přehodnocován harmonogram přípravy úložiště. Stávající platná koncepce nakládání s radioaktivními odpady a vyhořelým jaderným palivem počítá s uvedením hlubinného úložiště do provozu v roce 2065, ale aktuálně je vyhodnocováno, bude-li možné posunout termín už na rok 2050.

Základní parametry PVP Bukov

Podzemní laboratoř se nachází uvnitř podzemního komplexu dolu Rožná I na jeho 12. patře (obr. 1). První část laboratoře (PVP Bukov I), zprovozněná v roce 2017, se nachází u jámy B-1 pod obcí Bukov a skládá se z celkem 475 m chodeb (obr. 2 a obr. 3). Ražba této části podzemní laboratoře byla zahájena v roce 2013 a dokončena v roce 2017, v tomtéž roce, kdy byly ukončeny aktivní těžební činnosti v dole. Pozice laboratoře byla volena tak, aby hloubková úroveň odpovídala plánovanému umístění hlubinného úložiště a aby nově ražené chodby směřovaly z okraje důlního komplexu do nenarušeného masivu. Provoz pracoviště a související infrastruktury pro SÚRAO zajišťuje původní provozovatel dolu DIAMO, s.p., o.z. GEAM. Kromě zprovozněné první časti laboratoře je v současnosti ražen nový systém laboratorních chodeb (PVP Bukov II). Ten se nachází v blízkosti jámy B-2 a jeho pozice byla určena na základě vhodných geologických a příhodných technologických podmínek pro realizaci budoucích experimentů (obr. 2). Dostatečná vzdálenost dvou částí pracoviště zaručuje, že nedojde k ovlivnění nebo přímému poškození probíhajících experimentů ražbou. Laboratoř se nachází v horninách krystalinika Českého masivu, ve strážeckém moldanubiku, a mezi základní typy tam zastižených metamorfovaných hornin patří migmatity, amfibolity a pararuly. Chodby PVP Bukov I se nacházejí přibližně 525 m a PVP Bukov II 510 m pod terénem.

Rekonfigurace dolu

Až do roku 2020 probíhal provoz dolu v původním rozsahu jako během průběhu těžby v minulosti. V provozu bylo šest jam a přístup byl možný až do nejspodnějšího 24. patra dolu, do hloubky 1 200 m. Přístupnosti starých důlních děl pod úrovní laboratoře bylo využito i v rámci výzkumného programu SÚRAO. V různých hloubkových úrovních se zbudovala monitorovací stanoviště pro charakterizaci horninového masivu a byla tak získána unikátní data, která umožnila studovat změny vlastností hornin s hloubkou pod povrchem.

V roce 2020 bylo rozhodnuto o provedení úpravy původní důlní infrastruktury s cílem omezit rozsah provozovaného dolu pouze na části potřebné pro provoz laboratoře. V průběhu let 2020 až 2022 se realizovaly práce, jejichž výsledkem je snížení počtu provozovaných jam ze šesti na čtyři. Dále probíhá zatápění spodních pater dolu (úrovně 13.–24. patra). S tím je spojena změna čerpacího systému důlních vod. V březnu 2021 bylo ukončeno čerpání vod na 24. patře a v jamách R-7S a R-3 se monitoruje stoupání hladiny vody. V prostoru jámy R-7S je v hloubce cca 60 m pod úrovní 12. patra připravena nová čerpací stanice, odkud budou vody po nastoupání hladiny čerpány přes jámy R-1 a B-1 kaskádním systémem na povrch. K prosinci 2022 dosáhla hladina podzemní vody úrovně cca 300 m nade dnem obou monitorovaných jam. Rekonfigurační práce dokončené v prosinci 2022 dále obnášely například výměnu některých výtlačných řadů, rekonstrukci trafostanice u jámy B-1, částečnou rekonstrukci hladinové čerpací stanice R-1 nebo řešení ohřevu vtažných větrů a úpravu šachetní budovy jámy B-1 (obr. 5). Běžný přístup do podzemí je nyní omezen na 12. patro (obr. 1). Pro dopravu osob do podzemí slouží jámy R-1 a B-1.

Technické řešení PVP Bukov II

V lednu 2021 byla zahájena ražba nového komplexu PVP Bukov II (obr. 2). Ten obsahuje celkem šest laboratorních chodeb, délka každé z nich činí až 90 m, ražených kolmo ze stávající dopravní chodby poblíž jámy B-2, resp. R7-S. Z laboratorních chodeb jsou dále raženy kratší zkušební komory s délkou 10 m. Velikost profilů těchto chodeb je 14,8 m². Systém chodeb dále obsahuje dvě propojovací větrací chodby s profilem 7,7 m². Všechna díla jsou ražena obrysovými trhacími pracemi podle speciálně upraveného vrtného schématu s maximální zabírkou 2 m. Jako základní trhavina se používá Perunit E, rozbušky DeD-S-Al a bleskovice Startline 100, která se používá v obrysových vrtech. Na obr. 4 je pohled na čelbu ražené chodby s vyznačením míst pro vrty. Vrtání je prováděno dvoulafetovým vrtacím vozem BWA-3 s vrtacími kladivy VKS 45W 2020. Stropy laboratorních chodeb zajišťuje svorníková výztuž tvořená kompozitovými kotevními tyčemi ukotvenými do horniny polyesterovým lepidlem, které lze ve zhoršených geologických situacích doplnit o zátah kompozitovou sítí. V příhodných podmínkách je dílo ponecháno bez výztuže. To je důležité především u zkušebních komor, kde je podstatné detailní geologické mapování povrchů chodeb. Provádí se strukturně-tektonické mapování, jež se soustředí hlavně na porušení masivu křehkými strukturami, a další nedestruktivní geofyzikální práce. Křížení chodeb je podle geologické situace ještě možné zajistit stříkaným betonem.Horninu po trhacích pracích odtěžují přehazovací nakladače do důlních vozů za případného použití škrabákových vrátků. Rubanina je dále vyvážena na povrch jámou R-1. Větrání při ražbě je zajištěno separátním kombinovaným větráním s ventilátory a lutnovým tahem – ty jsou napojeny na hlavní větrací systém zajištěný hlavním sacím ventilátorem na jámě R-6.

K prosinci 2022 jsou vyraženy čtyři chodby, každá délky 90 m, propojovací větrací chodby o délkách cca 40 m a první čtyři zkušební komory. Předpokládaný termín dokončení všech ražeb je aktuálně březen 2024.Celý postup přípravy tohoto pracoviště od výběru vhodného horninového bloku přes první charakterizační práce až k samotné ražbě určitým způsobem simuluje přípravu ukládacích chodeb v hlubinném úložišti a poskytuje tak nenahraditelné informace a zkušenosti využitelné v budoucnu. V průběhu procesu lze testovat metodu „předpověď – výsledek“, kdy se získávají v různých fázích postupu detailnější informace o prostředí a je možné vyhodnocovat účinnost metod predikujících vlastnosti horniny.

První přímé informace o vlastnostech prostředí byly získány z jádrových vrtů vytvořených v osách všech budoucích laboratorních chodeb. Byla provedena analýza vrtných jader a mezi vrty seismická tomografie, jejímž účelem je zjistit prostorovou distribuci případných poruchových zón a posoudit homogenitu horninového bloku. Na základě informací z vrtů byl vytvořen první geologický model. V průběhu ražby jsou pak získávána přímá geologická data z mapování ražených chodeb. Na stěnách chodeb se realizují nedestruktivní geofyzikální metody, jako seismická nebo elektrická odporová tomografie, které vyobrazují vlastnosti masivu za stěnami chodeb. Příhodná pozice paralelních chodeb, připomínající systém ukládacích chodeb v hlubinném úložišti, pak umožňuje informace propojovat a vytvářet tak prostorovou geologickou mapu s průběhem tektonických anomálií.Výzkumný tým zodpovědný za charakterizační práce se mimo jiné zaměřuje na vývoj a testování klasifikačních metod využitelných při výstavbě hlubinného úložiště, které budou použity pro stanovování výběru a vhodnosti míst pro realizaci ukládacích vrtů nebo pro definování kritických struktur. Těmi jsou myšleny významnější tektonické poruchy, například s vyššími přítoky podzemní vody, které nesmí přímo křížit ukládací vrty.

Experimentální aktivity

Účelem laboratoře je poskytnout prostor pro naplnění rozsáhlého experimentálního programu SÚRAO souvisejícího s přípravou hlubinného úložiště. V PVP Bukov I byly první zakázky realizovány již v průběhu výstavby a výzkumná aktivita se zintenzivnila po kompletním dokončení pracoviště v roce 2017. Jako příklady jsou dále uvedeny tři zásadní probíhající projekty: Interakční experiment, Korozní experiment a Puklinová konektivita (obr. 3). Jednou z nejdůležitějších řešených oblastí je vývoj a testování materiálů a technologií pro inženýrské bariéry hlubinného úložiště. Tím jsou především materiály pro výrobu ukládacího obalového souboru (kontejneru) nebo těsnicí vrstvy, která bude obklopovat kontejnery v ukládacích vrtech. Interakční experiment se zaměřuje na testování chování těsnicí vrstvy z bentonitu. Obsahuje několik fyzikálních modelů umístěných do vrtů v hornině, které jsou uměle zahřívány, čímž je simulována přítomnost radioaktivního odpadu produkujícího teplo. Modely se od sebe navzájem liší formou a objemovou hmotností bentonitové výplně a uspořádáním senzorů. Bentonitová vrstva je tvořena segmenty vyrobenými slisováním bentonitového prachu nebo směsí granulovaného bentonitu. Aktuálně probíhá zatěžovací fáze experimentu, po jejímž skončení budou jednotlivé fyzikální modely vyjmuty a poté odebrány vzorky materiálů k laboratornímu zpracování.

Korozní experiment zjišťuje korozní rychlosti kandidátních materiálů určených pro výrobu ukládacího kontejneru. Experiment obnáší umístění vzorků materiálů do bentonitové vrstvy, jež je součástí fyzikálního modelu zapuštěného do vrtu. V tuto chvíli je na vybraném stanovišti připraveno celkem deset vrtů, ve kterých se sleduje ustalování geochemických a mikrobiálních podmínek. Důležitý je především obsah kyslíku ve vrtech zaplavených vodou, který se musí blížit nule tak, aby experiment reprezentoval budoucí podmínky v úložišti. Instalace modelů je v plánu na rok 2023. Po instalaci budou v časovém období deseti let postupně jednotlivé modely rozebrány a bude vyhodnocena míra a složení koroze vzorků.

Důležitá je také oblast zaměřená na výzkum proudění vody a transport látek v hornině. Ta je řešena v projektu Puklinová konektivita. Experimentální stanoviště obsahuje celkem čtyři vrty, každý z nich má délku až 70 m, vystrojené multipakrovými systémy, které fyzicky oddělují různé hloubkové úrovně vrtů. Stanoviště slouží pro provádění hydraulických a stopovacích zkoušek mezi vrty. Tyto zkoušky jsou jediným způsobem, jak je možné získat data pro vývoj matematických modelů, které se požívají pro prokázání bezpečnosti konceptu hlubinného úložiště. Detailnější informace o dokončených projektech v PVP Bukov I nebo o plánovaných aktivitách pro PVP Bukov II lze získat ze zveřejněných technických zpráv dostupných na webu SÚRAO [2].

Závěr

PVP Bukov je laboratoř využívající původní infrastrukturu dolu Rožná I. Samotné místo nemůže být využito jako úložiště odpadu, ale poskytuje ojedinělou možnost přímého přístupu k horninám krystalinika Českého masivu v hloubce 500 m pod povrchem a možnost realizovat v nich komplexní in-situ experimenty. Účelem laboratoře je včasná příprava a prověření vlastních technických řešení tak, aby byl projekt výstavby hlubinného úložiště realizovatelný v uvažovaném časovém horizontu. Využití PVP Bukov je plánováno přibližně do roku 2035. 

Zdroje:
[1] DOHNÁLKOVÁ, Markéta. Projekt hlubinného úložiště vyhořelého jaderného paliva v České republice I. Stavebnictví. 2022, roč. XVI, č. 11, s. 56–59. ISSN 1802-2030. Dostupné také z: www.casopisstavebnictvi.cz.
[2] Databáze technických zpráv SÚRAO [on-line]. SÚRAO [cit. 2022-12-14]. Dostupné z: https://www.surao.cz/dokumenty-a-publikace/.

GRAFICKÉ PODKLADY: archiv Správy úložišť radioaktivních odpadů

Celý článek naleznete v archivu čísel 01-02/23.