Захоронение радиоактивных отходов в подземных хранилищах и могильниках
Захоронение радиоактивных отходов в подземных хранилищах и могильниках
В технологических процессах ядерного топливного и оружейного циклов образуются радиоактивные отходы (РАО) и облученное ядерное топливо (ОЯТ). В настоящее время суммарный объем и активность РАО составляет 640 млн м3 и 1,5 млрд Кюри (Ки). На объектах Минатома, Минобороны и Минтранса хранятся 8,5 тыс. т облученного топлива общей активностью 4,45 млрд Ки, которое в XXI веке будет перерабатываться и при переработке образуются дополнительные объемы РАО.
Объемы РАО, накопленные на территории России, представлены в табл. 25.
Для решения проблемы обращения с РАО во всех странах и у нас используется подземное пространство – "геологическое" хранение и захоронение при многобарьерности защиты. Основным естественным барьером многовековой надежной безопасности служит вмещающий массив специально выбранных горных пород: низкопроницаемые скальные породы, глины, каменные соли и многолетнемерзлые породы. Продолжительность необходимой изоляции отходов средней активности – 100–300 лет, высокоактивных 1000 и более [38].
И в новом веке будет интенсивно использоваться подземное пространство в интересах атомной энергетики. Важнейшим направлением создания техногенно-природных систем является сооружение хранилищ и могильников радиоактивных отходов (РАО).
Концепция "геологического" захоронения РАО, как наиболее реальная, принята во всем мире. В настоящее время построены и эксплуатируются подземные комплексы для РАО различной активности, на разных глубинах и в различных породах:
Швеция, "Форсмак" – в скальных породах под дном Балтийского моря;
Германия, "Конрад" и "Ассе" – в соляных рудниках, "Морслебен" и "Горлебен" – в соляных толщах на глубине 400 м и глубже;
в США в вулканических туфах сооружается могильник "Юкка-Маунтин" на глубине 600 м, строятся хранилища и могильники в Великобритании ("Виндскайле" в песчаниках), в Испании, Бельгии и других странах.
Таблица 25 - Объемы РАО, накопленные на территории России [17]
Рекомендуемые материалы
Институтами Минатома проектируется хранилище отвержденных отходов плутония в подземных камерах, пройденных в скальных породах, Красноярского горно-химического комбината (г. Железногорск на Енисее), а также скважинные хранилища РАО для комбината "Маяк" (Южный Урал). Институтом ВНИПИ промтехнологии выполнен проект траншейного и шахтного могильника высокоактивных отходов на острове Новая Земля в многолетнемерзлых породах.
ГоИ КНЦ РАН обосновано создание региональных могильников в глубинных кристаллических породах (кварцитопесчаники, граниты и габбро) Кольского полуострова, что будет способствовать разрядке напряженности в одном из самых неблагополучных по РАО регионов – Северо-Западе России.
Все страны, имеющие атомную энергетику и атомный флот, выполняют НИР и ОКР, проектируют и строят хранилища РАО шахтного типа в гранитных массивах и в соляных куполах. В Германии в хранилище "Горлебен" начат прием контейнеров с ВАО. В Финляндии начата эксплуатация подземного хранилища для отходов АЭС "Ловисса". Хранилище расположено неподалеку от станции. В хранилище "Випп", пройденном в соляных отложениях (США, (штат Нью Мехико) начата загрузка РАО.
Объемы РАО, накопленных на территории России, велики. Процесс накопления РАО продолжается, и только от АЭС до 2010 г. ожидаемый объем составит 700 тыс. м3 упаренных жидких отходов и около 500 тыс. м3 твердых. Надежная изоляция РАО от среды обитания является одной из наиболее острых экологических проблем. Без решения проблемы изоляции РАО в XXI веке может быть поставлена под угрозу возможность дальнейшего развития атомной энергетики и промышленности страны.
Проблема надежной изоляции радиоактивных отходов от среды обитания в подземном пространстве является по существу новой, никогда ранее не рассматривавшейся ни горными науками, ни инженерной практикой.
Решения этой проблемы можно достичь выполнением НИР и ОКР по следующим основным направлениям:
- выработка концепции и методов подземной изоляции РАО;
- разработка научно-технических основ поэтапного выбора участка и определения состава исходных данных к экологическому обоснованию предпроектной и проектной документации для строительства подземных сооружений по изоляции РАО;
- разработка и обоснование долговременной защитной способности многобарьерной системы изоляции специальных подземных сооружений;
- создание методов многофакторного анализа воздействия подземных хранилищ (могильников) РАО на окружающую среду и методов оценки риска;
- создание подземных сооружений с конструкциями принципиально новых типов;
- разработка и внедрение новых конструкционных материалов, обеспечивающих долговременную надежную изоляцию РАО;
- разработка законодательной и нормативно-регулирующей документации, обеспечивающей радиационную безопасность недропользования при изоляции РАО в подземном пространстве.
Основной целью деятельности в области обращения с РАО является надежное и экономически эффективное обеспечение защиты настоящего и будущих поколений от опасного радиационного воздействия и среды обитания человека от радиоактивного загрязнения как при нормальных условиях, так и в экстремальных ситуациях.
До сих пор применялись различные способы удаления РАО из среды обитания человека.
На заре атомной эры (40–50-е годы) РАО складировали в наземных емкостях на предприятиях ядерного топливного цикла и оборонных объектах, разбавляли и рассеивали в атмосфере, гидросфере и литосфере. В СССР при создании ядерного оружия в 1949–1951 гг. ЖРО сливали в реки и озера. Эти способы удаления РАО из-за тяжелых социально-экологических последствий в настоящее время неприемлемы.
В последующие годы освоения ядерной энергетики, до объявления моратория в 1983 г. часть РАО средней и низкой активности помещали в контейнеры из металла и бетона, сбрасывали в глубокие впадины на дне морей и океанов. Радиоактивные тайны морского дна хорошо известны [17].
Подземная изоляция РАО в пригодные для этих целей геологические структуры.
Кроме трех рассмотренных применявшихся и применяемых способов, предлагаются три новых.
Удаление контейнеров с отходами в космическое пространство баллистическими ракетами, высвобождаемыми в результате разоружения и конверсии. Предлагается посылать ракеты с РАО даже на Солнце.
Погружение ВАО (высокотемпературное отработавшее топливо реакторов) в тугоплавких шарах-контейнерах в мантию Земли через расплав горных пород, которые будто бы будут плавиться под воздействием остаточного тепла ОЯТ в шарах и погружаться сами собой в недра.
Трансмутация долгоживущих радионуклидов высокой удельной активности, образующихся при переработке ОЯТ ("малых" актинидов остаточного плутония и продуктов деления). Этот способ еще не осуществлен в промышленном масштабе, но исследования выполняются в России, США, Японии, Франции и Нидерландах.
С учетом современного состояния науки, техники и технологии приоритетное направление в области зашиты человека и окружающей среды от воздействия радиоактивных отходов – их переработка, надежное контролируемое хранение в инженерных сооружениях и окончательное захоронение.
Период, в течение которого необходима защита окружающей среды от радиоактивных отходов, обусловливается временем распада радионуклидов до безопасных концентраций, а также наличием в отходах химически токсичных соединений.
Изоляция отходов в соответствии с требованиями МАГАТЭ о многобарьерной защите обеспечивается тремя основными барьерами: физико-химической формой отходов, инженерными барьерами и геологической средой (естественный барьер).
При обращении с радиоактивными отходами обязательно соблюдение отечественных и международных норм и правил по защите населения и охране окружающей среды. Эти нормы основаны на современном уровне научных знаний о биологическом действии и вредных эффектах ионизирующих излучений.
Фундаментальной концепцией безопасности является гипотеза о беспороговой линейной зависимости вредных эффектов от дозы излучения в области малых доз.
Существующая практика обращения с радиоактивными отходами включает в себя несколько этапов.
Сбор и сортировка жидких и твердых отходов по химическому, радионуклидному составу и уровню активности.
Переработка отходов с целью сокращения их объема и перевода в твердые радиационно, химически, механически и термически устойчивые формы, пригодные для хранения, транспортирования и захоронения. В процессе переработки может быть предусмотрено выделение ценных компонентов для их повторного использования в производстве или передачи в народное хозяйство (утилизация РАО).
Временное хранение отходов на предприятиях, где они образовались, до создания региональных могильников для захоронения РАО.
В практике нашей страны РАО различной активности захораниваются в твердом и жидком виде. Традиционные способы обращения с низко- и среднеактивными, жидкими РАО – химическое осаждение, ионный обмен, выпаривание, фильтрование, мембранные методы, битумирование, остекловывание и т. д.
Богатый опыт подземного захоронения жидких РАО низкого и среднего уровня активности накоплен на полигонах Сибирского химкомбината (г. Северск), Красноярского горно-химического комбината (г. Железногорск) и Научно-исследовательского института атомных реакторов (г. Димитровград). Жидкие РАО в виде растворов закачиваются через скважины в глубинные пласты-коллекторы по технологии ВНИПИ промтехнологии.
Впервые в открытой печати в 1994 г. разрешено опубликовать книгу А.И. Рыбальченко, М.К. Пименова, П.П. Костина и др. "Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов", освещающую более чем 30-летний опыт исследований, создание и осуществление глубинного захоронения жидких РАО в геологические формации. В глубокозалегающие пласты-коллекторы удалено около 46 млн м3 отходов, содержащих 2,2 млрд Ки, т. е. более половины радиоактивных нуклидов – продуктов деления урана с периодом полураспада до 30 лет (изотопы стронция, рутения, цезия, церия и др.), образовавшихся как отходы атомной промышленности России.
Захоронение жидких РАО в таких масштабах единственное в мире. Оно дало возможность значительно снизить степень риска возникновения заболеваний и генетических дефектов, а также уменьшить вероятность тяжелых аварий при обращении с отходами.
В условиях подземных атомных станций эта технология захоронения жидких РАО также может найти применение в определенных геологических и горно-технических условиях. [2]
Схема переработки ЖРО должна обеспечить их очистку от химических примесей с минимизацией объемов вторичных отходов. Например, концепция НИКИЭТа, являющегося головным институтом по проблеме обращения с реакторными отсеками атомных подводных лодок (АЛЛ), предусматривает электрохимическую коагуляцию очищенных ЖРО, механическую фильтрацию, ионообменную фильтрацию и двухступенчатый диализ. Первые три стадии полностью удаляют из ЖРО радионуклиды, а от химических примесей жидкости очищаются мембранными методами, широко применяемыми в промышленности. Однако ни одна из применяемых ныне технологий не очищает ЖРО от трития. Поэтому предлагается сократить объем образования отходов контурных вод, после очистки использовать их в первом контуре (возврат) и, наконец, контурную воду применять для приготовления бетонных смесей твердеющей закладки для захоронения РАО в подземных могильниках.
Переработка ЖРО АЛЛ ведется только на ремонтно-технологическом предприятии "Атомфлот", где установлены узел двойного диализа и выпарная станция конструкции ВНИПИЭТа производительностью 18 тыс. м3 ЖРО в год.
Предпочтение отдается захоронению РАО в твердом виде, так как это наиболее устойчивое к внешним воздействиям в течение сотен и тысяч лет физическое состояние, соизмеримое с длительной устойчивостью вмещающих горных массивов и геологических структур.
Кроме битумирования, из мировой практики известны способы отверждения РАО средней активности в бетонных блоках и искусственной керамике. Бетонные блоки наполняются сухими РАО (сухой остаток, полученный выпариванием) до 40 %. Для снижения возможного выщелачивания радионуклидов из бетона в него добавляют жидкое стекло, вермикулит, цеолит. Отвержденные РАО упаковывают в стандартные контейнеры, бочки, барабаны, шары, короба и размещают в специальных горных выработках для захоронения.
Таким образом, переработка РАО на ПАС преследует три цели: значительное уменьшение объема отходов (выпариванием, прессованием, сжиганием, отверждением); перевод РАО в твердые устойчивые формы; оптимизация физико-химических свойств РАО для вечного захоронения.
Итак, исходя из принципа многобарьерности защиты в соответствии с требованиями МАГАТЭ для обеспечения надежного радиационно безопасного захоронения РАО, особенно высокоактивных, создаются несколько защитных барьеров.
Как описано ранее, РАО остекловываются в матрицах из боросиликатного или алюмосиликатного стекла; бетонируются или смешиваются с битумом и сорбционными добавками.
Отвержденные блоки помещаются в антикоррозионные контейнеры из нержавеющей стали, бетона, железобетона, циркониевого сплава, меди, чугуна и др.
Контейнеры располагаются в горных выработках и изолируются от крепи или вмещающих горных пород буферами (забойкой) из слабопроницаемого сорбционного материала (например, бентонитовые глины или цеолиты).
Крепи камер хранилищ и могильников РАО выполняются герметичными, водонепроницаемыми, из антикоррозийных бетонов и иногда облицовываются коррозионно-стойкими материалами, например, нержавеющей сталью.
Эти четыре барьера смогут защитить радионуклиды от контакта с подземными водами и начала процесса выщелачивания в лучшем случае в течение 500–1000 лет. Этот срок можно считать достаточным для подземного захоронения отвержденных РАО средней и низкой активности, но он недостаточен для захоронения ВАО и ОЯТ, так как они содержат радионуклиды цезий-стронциевой (Sr-90 и Cs-137) и трансурановой (U-234, Pu-239, Np-237 и др.) групп. Периоды полураспада радиоизотопов этих групп различны. Так, у Sr-90 и Cs-137 он равен 28,1 и 30,2 лет соответственно, а радионуклиды трансурановой группы обладают периодом полураспада в десятки и сотни тысяч лет. Радиоизотопы стронция и цезия являются основными тепловыделяющими элементами в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), высокотоксичны, хорошо растворяются в воде.
Многобарьерная инженерная защита могильников РАО, обеспечивающая надежную изоляцию на срок 500–1000 лет, будет гарантировать полный распад радиоизотопов цезий-стронциевой группы. Однако температура горных пород, вмещающих могильник, будет существенно повышенной, что предусматривается при проектировании хранилищ-могильников ВАО. Предельно допустимая температура горных пород, вмещающих Х-М ВАО (ХОЯТ), в Канаде и Европе принимается – 100° С, в США– 250°С.
Для надежного захоронения радиоизотопов трансурановой группы срок действия техногенных (инженерных) барьеров недостаточен. В связи с тем, что технология разделения радиоизотопов цезий-стронциевой и трансурановой групп на практике не применяется из-за проблематичности, высокой сложности и дороговизны, обе группы радиоизотопов ВАО и ОЯТ хранят и захоранивают совместно. Поэтому приходится в качестве основного длительно действующего барьера использовать геологическую среду, горный массив, вмещающий могильник. Основное требование при захоронении ВАО – надежная, устойчивая изоляция отходов от среды обитания биосферы (экосферы) на период их потенциальной опасности для человека и окружающей среды. Нормативы США предусматривают необходимость сохранения надежной изоляции ВАО в могильниках на срок порядка 10 000 лет. Такой же срок желательно предусматривать и в нашей стране.
Благодаря сумме естественных и техногенных барьеров гарантируется надежность захоронения ВАО. Как видим, надежность вечного захоронения возлагается на массив горных пород.
В связи с этим геологическая формация, используемая в качестве среды экологически безопасного размещения РАО, должна удовлетворять определенным геолого-тектоническим требованиям. Геологический блок должен располагаться в тектонически стабильной зоне земной коры.
Для размещения низкоактивных и части среднеактивных РАО, не имеющих альфа-излучающих элементов, блок считается стабильным, если в нем не ожидается подвижек в течение 300–500 лет, для облученного ядерного топлива и В АО – в течение более 104 лет. Так как выбор места для захоронения ВАО является прежде всего проблемой геологической, комплекс исследований должен включать: геоморфологическое изучение территории (развитие рельефа на длительный период, вероятность глобального изменения климата), сейсмический режим, структурно-геологические, геодинамические, структурно-петро-физические и петрографические исследования.
Тектонически стабильными зонами земной коры, так называемыми "мертвыми", геологи считают платформенные зоны континентов, а внутри континентов – щиты.
Совершенно неприемлемыми считаются орогенические пояса с интенсивными процессами, высокой сейсмичностью, интенсивным вулканизмом, термальные артезианские бассейны, карсты.
При выборе структурного блока учитываются конкретные физико-механические, физико-химические, теплофизические свойства вмещающих пород, напряженно-деформированное состояние (НДС) массивов, их тектоническая нарушенность, структурные особенности, температурные поля, теплофизические массообменные характеристики, гидро- и газопроявления массивов и др.
При соблюдении многобарьерности системы изоляции и защиты ПАС и могильника РАО независимо от типа и функций естественных и искусственных барьеров основными их качествами являются: способность передачи тепла и его рассеяния в горном массиве; заграждение от проникновения подземных вод и газов, химическая стойкость, способность задерживать радионуклиды; механическая устойчивость самих искусственных барьеров (крепей, закладки, засыпки, забивки и т. п.) и массива горных пород под действием горного давления и технологических нагрузок.
ПАС и могильник высоко- и среднеактивных РАО размещаются в массивах проницаемостью не выше 104 Д в блоке горного отвода без тектонических нарушений, полезных ископаемых и т. п. Выбранный геологический блок по своим размерам должен вмещать не только горные выработки ПАС и могильника, но и зону санитарного отчуждения (200–250 м), а также охранные целики между контурами зоны санитарного отчуждения и зонами повышенной проницаемости, особенно горизонта свободного водообмена.
Основные требования, предъявляемые к участку строительства ПАС, хранилища и могильника в тектонически стабильном блоке земной коры:
сейсмичность района расположения участка не должна превышать 7 баллов по 12-балльной шкале;
границы зоны санитарного отчуждения устанавливаются по положению максимального контура распространения ПДК радиоактивного загрязнения в определенном промежутке времени, горный отвод структурного блока должен включать все подземные сооружения, а также предохранительные и барьерные целики;
в пределах горного отвода не должно быть тектонических нарушений, которые могли бы служить каналами миграции;
ПАС, хранилище-могильник располагают в зонах затрудненного водообмена (Кф –10-3 ÷ 10-6 м/сут) и застойного режима;
участки геологических формаций не должны иметь пластов, жил, зон с более высокой проницаемостью, а также связи с горизонтами водообмена;
горный массив, вмещающий подземный комплекс ПАС, должен быть надежно изолирован инженерными мероприятиями и техническими средствами от горизонтов водообмена;
горный массив, вмещающий ПАС, хранилище-могильник, должен обеспечивать изоляцию отходов при создаваемых технологических нагрузках и быть монолитным, слабодислоцированным (Мтр ÷ 4 - 5 трещин/м) и однородным (слабопроницаемые магматические, соленосные и глинистые породы). Мощность вмещающей толщи определяется расчетом и должна быть не менее 100 м для соленосных и глинистых отложений и 300 м для магматических пород;
геологические формации должны состоять из прочных, устойчивых горных пород, инертных по отношению к физико-химическому воздействию РАО, обладающих свойствами механических и геомеханических барьеров на пути возможной миграции (утечки) радионуклидов;
геологическая формация должна иметь средний уровень естественных тектонических напряжений, близкий к гидростатическому.
Наиболее предпочтительными для размещения комплекса ПАЭС и хранилища-могильника РАО считаются скальные массивы, сложенные породами с пределами прочности на сжатие [σ сж] > 100 МПа и растяжение [σ р] > 10 МПа;
29. Рынок государственных учреждений - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
при выборе поперечных сечений камерных выработок влияние крупноблоковой естественной трещиноватости должно быть сведено к минимуму, что исключит появление зон действия растягивающих напряжений; подземные сооружения должны быть оптимально ориентированы относительно господствующих систем крупноблоковых трещин с учетом естественных напряжений в массиве;
при выборе единого структурного блока следует учитывать естественное напряженное состояние массива скальных пород, обусловленное действием полей напряжений гравитационно-тектонического происхождения, верхний предел тектонической составляющей естественного поля напряжении во избежание динамических проявлений горного давления не должен превышать значения (3 ÷ 4) γН< 0,5 σ сж;
при любых тектонических нагрузках на массив горных пород, вмещающих камерные выработки ПАЭС и хранилища-могильника РАО, должны выполняться требования, предъявляемые к конструкциям подземного могильника.
Для могильников ВАО наиболее удачным является расположение вязкопрочных пород (габбро, базальтоиды, диабазы) в массиве упругопластичных пород (терригенно-карбонатные толщи, серицит-хлоритовые сланцы). По мнению академика Н.П. Лаверова, "породы повышенной основности более благоприятны для строительства могильников ВАО, чем граниты, гнейсы и другие породы кремнекислого состава".
В качестве природных геохимических и механических барьеров на пути распространения радионуклидов могут быть использованы участки горного массива, сложенные фракциями пород в виде линз и отдельных толщ, имеющих высокий восстановительный потенциал (нефте-, битумо- и углесодержащие породы, неперспективные для отработки), при котором трансурановые элементы переходят в нерастворимые соединения. Механическими природными барьерами могут быть представлены породы, обладающие низкой проницаемостью или адсорбционными свойствами: глины, соли, интрузивные горные породы (типа гранитов, туфов и т. д.). Выбор участка под строительство ПАЭС требует постановки комплексных геолого-геофизических исследований, обеспечивающих требуемый уровень экологической безопасности эксплуатации ПАЭС и хранилища (могильника).
Из мирового опыта обращения с РАО известны различные способы их подземного захоронения: скважинные, шахтно-ствольные, шахтные, штольневые, траншейные, котлованные, курганные и комбинированные (например, шахтно-скважинные, шахтно-камерные, камерно-скважинные, котлованно-курганные и т. д.).
