Hur Fukushima-isbarriären blockerar radioaktivt grundvatten

Japanska tjänstemän som är desperata efter att begränsa en ständigt växande kris vid kärnkraftverket i Fukushima vill använda konstgjord permafrost för att stoppa radioaktivt vatten från att läcka. Tanken är att bygga en milslång mur av frusen jord runt Fukushimas giftiga reaktorbyggnader för att stoppa grundvattenföroreningen; de mest erfarna specialisterna på området säger att planen borde fungera.

Kylförvaring: En frysvägg skapad för ett byggprojekt av företaget SoilFreeze.

De inblandade japanska företagen tycks ha en självklarhet. För två veckor sedan signalerade en topptjänsteman vid Tokyo Electric Power (Tepco) att bolaget bakom Fukushima-katastrofen skulle söka internationell hjälp med vattenföroreningskrisen i Fukushima. Men experter på USA-baserade företag och nationella laboratorier bakom världens största frysväggssystem – och det enda som har bevisats innehålla kärnförorening – har inte kontaktats av varken Tepco eller dess entreprenör, det japanska ingenjörs- och byggföretaget Kajima Corp.

En av dessa experter är Elizabeth Phillips, som skötte installationen av en 300 fot lång, 30 fot djup frysvägg för att isolera radioaktivt avfall vid det amerikanska energidepartementets Oak Ridge National Laboratory i Tennessee 1996 och 1997. Under frysning väggar används ofta för att hålla tillbaka grundvatten för att underlätta utgrävningar på byggarbetsplatser och gruvor, det här fallet kräver specialiserad expertis, säger hon. Man måste se till att den som gör det analyserar allt som kan gå fel, säger Phillips. Du borde gå med någon som har gjort det tidigare.

Varje dag kommer ungefär 400 ton grundvatten som rinner ner från de närliggande bergen in i sprickor i reaktorbyggnaderna som skadades av härdsmältorna och explosionerna i Fukushima 2011, enligt ett informationsdokument från Tepco från april 2013 . Vatten som strömmar ut från byggnaderna förorenar grundvattnet nedströms och rinner slutligen ut i havet. Föroreningshalterna är farligt höga. Förra månaden tog Tepco vatten från en provtagningsbrunn nedströms byggnaderna som innehöll strålningsnivåer som var storleksordningar högre än de nivåer som bedömdes som säkra av Japanska kärnkraftsregleringsmyndigheten .

Tepcos ansträngningar för att förhindra denna spridning har hittills varit ineffektiva, riskfyllda och i slutändan ohållbara. Dess primära svar har varit att pumpa förorenat grundvatten in i uppehållstankar, och lägga till de mer än 300 000 ton radioaktivt vatten som redan lagrats i Fukushima i hastigt sammansatta tankar som är sårbara för framtida jordbävningar. Vissa har redan läckt ut. Förra veckan registrerade Japans kärnkraftsmyndighet en ny läcka på 300 ton som en nivå 3-incident – ​​den första incidenten i Fukushima som den har klassificerat på den internationella skalan för kärnkraftshändelser sedan 2011.

Frysväggen skulle vara ett mer definitivt tillvägagångssätt för att hantera grundvatten. Som föreslogs av Kajima i april och godkändes i maj av en expertpanel från Nuclear Regulation Authority, skulle den köra 1,4 kilometer och omringa platsens fyra förstörda reaktorer. Vertikala rör ska borras eller slås ner i marken med en meters mellanrum, vilket skapar vad som ser ut som en rad underjordiska staketstolpar. Fjorton 400 kilowatts kylanläggningar skulle pumpa -20 °C till -40 °C kylvätska ner i varje rör för att absorbera värme från marken, vilket producerar en expanderande cylinder av frusen jord.

På ungefär sex veckor skulle dessa cylindrar smälta samman för att bilda en kontinuerlig barriär som håller grundvattnet ute och föroreningar i. Resultatet skulle bli en solid barriär från ytan som sträcker sig cirka 95 fot ner för att möta ett lågpermeabilitetslager av lera och sten. Och även om det skulle kräva långvarig kylning för att bestå, är väggen immun mot strömavbrott som varar i dagar eller veckor. Det skulle ta månader eller år att tina upp väggen, säger Daniel Mageau, vice vd och designingenjör för Seattle-baserade entreprenören SoilFreeze.

Flera funktioner gör frysväggar till bättre barriärer än de som är gjorda av stål, betong eller lera - alternativ som kärnkraftsmyndighetens panel övervägde och förkastade. En viktig fördel som nämns av Phillips är frysväggens självläkande förmåga. Till exempel skulle vatten som rinner in i sprickor orsakade av en jordbävning – ett ständigt närvarande hot vid Fukushima – frysa för att återupprätta barriären. Det är en riktigt stor tillgång, säger Phillips.

Oak Ridge-erfarenheten tyder på att den kommer att fungera i Fukushima, enligt Phillips och experter på entreprenörerna som byggde labbets vägg: Rockaway, New Jersey-baserad geoteknisk entreprenör Moretrench och Anchorage-baserad Arctic Foundations . Det är fortfarande det enda frysväggprojektet för kärnkraftsinneslutning hittills, och ett som har felkarakteriserats i pressrapporter som ett experiment. Det var inte en modell. Det var att borra i förorenade jordar och stoppa verkliga radiologiskt förorenade material från att fly och korsa ner i en bäck, säger Arctic Foundations chefsingenjör Edward Yarmak.

Oak Ridge-frysväggen smälte samman i januari 1998 och innehöll samma svit av element som fanns i Fukushima i sex år - den varaktighet som specificerats för Fukushimas vägg av Nuclear Regulation Authority-panelen - tills tillsynsmyndigheter beordrade det amerikanska energidepartementet att sanera platsen. Phillips är övertygad om att den skulle ha fungerat längre än dess 30-åriga designlivslängd.

Joseph Sopko, chef för markfrysning på Moretrench, säger att Kajimas föreslagna ettåriga tidslinje för installation och frysning är rimlig i ljuset av en installation han skötte för en guldgruva i norra Ontario i slutet av 1990-talet som såg rör för en två mil långvägg monterad på knappt ett år. Skalan för Fukushima-muren ser samtidigt väldigt liten ut jämfört med en fem mil lång vägg som föreslås för en oljesandoperation i Alberta, för vilken Moretrench för närvarande genomför pilotstudier.

En stor nackdel är dock strömförbrukningen. Även om väggarna tar månader eller år att tina när de är frusna – och därmed är immuna mot strömavbrott – kräver de långvarig kylning för att klara av. Typiskt är kyleffekten som krävs för underhåll ungefär hälften av vad som krävdes för att bilda väggen.

Tepco och Kajima kunde spara energi om de använde en teknik som används på Oak Ridge. Dess vägg inkorporerade passiva enheter kända som termosyfoner som Arctic Foundations har installerat över Alaska för att förstärka smältande permafrost under byggnader och infrastruktur. En kylvätskegas cirkulerar passivt i rören närhelst marken är varmare än luften ovanför, absorberar värme i botten genom att koka, dumpar sedan värmen på toppen genom att kondensera och slutligen droppar tillbaka nedför rörväggen för att upprepa cykeln.

Tack vare inkluderingen av termosyfoner förbrukade Oak Ridge-systemet knappt 100 000 kilowattimmar ström årligen - mindre än 10 hem skulle använda på ett år. Det är ett mycket effektivt system för att flytta värme mot gravitationen. Det finns inga rörliga delar, säger Yarmak.

Ändå, medan Yarmak skulle älska att exportera Arctic Foundations termosifoner till Japan, säger han att strömförbrukningen inte är en kritisk fråga för Fukushima. Även med det mer konventionella frysväggsystemet som Kajima har föreslagit, vars strömförbrukning skulle vara ungefär 250 gånger större än vid Oak Ridge, ser strömanvändningen fortfarande liten ut i sitt sammanhang. För omfattningen av problemet som Japan har, är det inte mycket energi, säger han.

Dölj