Перспективы развития технологий геологической и

Перспективы развития технологий геологической изоляции РАО
Дата: 26/10/2005
Тема: Обращение с РАО и ОЯТ

Т.А.Гупало, д.т.н., ФГУП «ВНИПИпромтехнологии»

Основой российской «Стратегии развития ядерной энергетики в первой половине XXI века» является увеличение в два раза объема вырабатываемой энергии и формирование замкнутого ядерного топливного цикла. Объем накопленного в мире в настоящий момент отработавшего ядерного топлива (порядка 200 тыс. тонн) говорит о том, что это проблема мирового масштаба. При этом создание крупных международных комбинатов для хранения, переработки облученного топлива и, возможно, изготовления нового топлива и утилизации РАО целесообразно проводить на базе действующих предприятий, обладающих для этого необходимыми технологиями и, главное, опытом, какими являются предприятия Минатома России [1].

Национальная российская стратегия в вопросе обращения с ОЯТ может быть реализована при создании:

– национальных хранилищ ОЯТ, радиохимических установок по переработке топлива, объектов для окончательной геологической изоляции ОЯТ и РАО;

– региональных промышленных центров, в которых будет комплексно решаться проблема дальнейшего обращения с ОЯТ, поступающим с АЭС разных стран, территориально близких друг к другу [2].

В настоящее время в мире существуют следующие основные стратегии обращения с ОЯТ:

– прямое захоронение ОЯТ (открытый топливный цикл);

– переработка ОЯТ, повторное использование урана, плутония и др. радионуклидов, захоронение отходов (замкнутый топливный цикл).

Так как в России фактически уже реализуется и открытый, и замкнутый ядерный топливный цикл, то для решения задач завершающего этапа необходим комплексный подход, учитывающий и экологические, и экономические факторы для этих случаев (рис. 1). Основное достоинство открытого цикла очевидно: не требуется радиохимическая переработка ОЯТ, создается объект его окончательной изоляции в слабопроницаемых геологических формациях, после длительной выдержки с охлаждением производится захоронение топлива и консервация объекта.



Однако такой подход является конкурентноспособным только при небольших количествах захораниваемого ОЯТ и наличии природных условий, необходимых для его безопасной изоляции на миллионы лет. Основные осложняющие факторы для обеспечения безопасного захоронения ОЯТ: потенциальная экологическая опасность радионуклидов в течение миллионов лет и его высокое тепловыделение [3].

При переработке ОЯТ главными целями, обеспечивающими оптимальные технико-экономические показатели завершающего этапа, являются:

– извлечение, концентрирование и отверждение «горячей» фракции;

– извлечение нетепловыделяющих фракций наиболее экологически опасных долгоживущих радионуклидов.

«Горячая» фракция по массе составляет только 2% от исходного ОЯТ, ее тепловыделение спадает гораздо быстрее, поэтому вопросы хранения и окончательной изоляции существенно меньшей по объему короткоживущей фракции не имеют технических сложностей с позиции геологической изоляции.

Отвержденные фракции, содержащие долгоживущие радионуклиды, в несколько раз меньше по объему, чем исходное ОЯТ. Имеются надежные технологии для захоронения всех долгоживущих нетепловыделяющих фракций в геологических формациях. Необходимые объемы подземного пространства для захоронения долгоживущих фракций, которые образуются в результате переработки ОЯТ ВВЭР, в

50–70 раз меньше, чем для захоронения исходного количества ОЯТ. По состоянию на 2003 г., в отрасли накоплены огромные объемы жидких и твердых РАО: 415 млн м жидких и 73,2 млн тонн твердых отходов, а также 14600 тонн ОЯТ. Реализовать их окончательную безопасную изоляцию можно только с учетом радионуклидного состава и реальных природных условий в районах размещения отходов. Более 90% всех РАО низкоактивные. Для этих отходов целесообразнее всего после инвентаризации хранилищ определить экологически обоснованные мероприятия для организации приповерхностного, неглубокого подземного захоронения или захоронения в имеющихся горных выработках.

Геологическая или подземная изоляция подразумевает: а) приповерхностное или неглубокое подземное захоронение – для НАО и короткоживущих САО; б) глубокое захоронение для РАО, содержащих долгоживущие радионуклиды.

В соответствии с принятым и реализуемым в России принципом приближения мест захоронения радиоактивных отходов к местам их образования, геологические исследования для обоснования таких мест проводились в течение 10–15 лет на территориях Красноярского края (Нижнеканский массив, район Горно-химического комбината) и Челябинской области (г. Озерск, ПО «Маяк»).

Подземные объекты для изоляции РАО или ОЯТ существенно отличаются от других подземных объектов промышленного и энергетического строительства необходимостью выполнения следующих требований:

– надежной изоляции РАО и ОЯТ массивом горных пород на длительные периоды времени (пока долгоживущие радионуклиды требуют изоляции);

– соблюдения требований экологических экспертиз при выборе места, строительстве, эксплуатации и консервации подземного объекта на основе современных санитарных требований, государственных стандартов и строительных норм и правил.

В связи с этим, все научные исследования и изыскания должны быть направлены на получение достоверных данных, на основе которых готовятся проектные документы, утверждаемые на краевом, государственном и международном уровне при одобрении населением региона.

На рис. 2 показана модель жизненного цикла объекта подземной изоляции РАО и ОЯТ.



В соответствии с принятыми экологическими критериями безопасности, выбираются район, участок и площадка строительства. При инженерно-геологических исследованиях необходимо учитывать всю структуру законодательной базы по проблеме обращения с РАО в РФ и действующие нормативные документы, используемые при получении исходных данных для проектирования и строительства специальных подземных сооружений.

Законодательная и нормативная основа для создания подземных хранилищ РАО представлена в таблице № 1 следующими взаимосвязанными группами документов:

– документы, регламентирующие деятельность на федеральном уровне;

– нормативные документы, определяющие деятельность на всех стадиях изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации хранилища.

Наиболее ответственным моментом в технологии окончательной изоляции РАО является выбор места сооружения подземного объекта.



В конце 70-х годов в связи с пуском в эксплуатацию завода РТ-1 на ПО «Маяк» в Челябинске, вводом в эксплуатацию установок по упариванию и остекловыванию отходов, впервые в России, ВНИПИПТ было поручено начать комплексные исследования по оценке пригодности перспективных участков для захоронения РАО вблизи комбината «Маяк».

В результате работ были проанализированы комплексы метаморфических и вулканогенных пород, ряд интрузивных массивов как в пределах промзоны комбината, так и на прилегающих территориях. Была обоснована площадка для дальнейших исследований.

Совместными исследованиями предприятий Минатома, Российской академии наук, геологических организаций региона были детально изучены строение, минерально-химический состав и тектоническая нарушенность геологической среды района комбината ПО «Маяк» [4, 5]. Наиболее пригодными для захоронения оказались вулканогенные породы, представленные туфами и лавовыми брекчиями порфиритов, обладающие ничтожной водопроницаемостью, высокой механической устойчивостью и тепловой проводимостью. Работы на площадке комбината «Маяк» по комплексному изучению ее геолого-гидрогеологических условий проводились более 20 лет. При бурении более 12 глубоких и более 100 приповерхностных скважин был выполнен широкий комплекс опытно-фильтрационных работ, скважинной геофизики, теплофизических исследований. В лабораторных условиях по ГОСТам определялись литолого-петрографический состав, физико-механические, теплофизические, фильтрационные и другие свойства горных пород. В изученном массиве пород по степени трещиноватости выделяются несколько зон по глубине. Верхняя зона сильной трещиноватости прослеживается до глубины 35–40 м, зона слабой трещиноватости от 40 до 100 м характеризуется неравномерным распространением сети открытых трещин. Ниже 200 м распространены монолитные породы, среди которых отмечаются единичные трещины и участки повышенной трещиноватости мощностью до 2,5 м с коэффициентом фильтрации 10-3–10-4 м/сутки.

По результатам анализа всех проведенных многолетних исследований, как наиболее приоритетные выделены участки, которые показаны на рис. 3.



Многолетние исследования с целью предварительного обоснования пригодности изучаемой территории для подземной изоляции радиоактивных отходов многими организациями подтвердили перспективность территории санитарно-защитной зоны ПО «Маяк» для сооружения объекта подземной изоляции.

На основе анализа усовершенствованных технологий переработки ВАО и САО ПО «Маяк» и современных оценок объемов накопленных РАО для захоронения, с учетом перспективы дальнейшей работы комбината оценены необходимые объемы подземного пространства и требования к геологическим участкам, предполагаемым для окончательной изоляции РАО всех видов.

Для реализации завершающего этапа замкнутого цикла на базе завода РТ-1 необходимо ускорить работы по доразведке двух альтернативных участков на стадии ОБИН и создать подземную лабораторию для демонстрации безопасности захоронения и лицензирования деятельности по созданию объекта геологической изоляции экологически опасных радиоактивных отходов.

Второй территорией России для геологической изоляции является Нижнеканский гранитоидный массив – один из крупнейших массивов Средней Сибири, его площадь свыше полутора тысяч квадратных километров.

По комплексу геологических, технико-экономических, и др. критериев из 20, а затем из 8 участков, ранее отобранных исследователями организаций – специалистами Минатома, РАН, местных геологических организаций для проведения дальнейших исследований, были отобраны два наиболее перспективных участка: первый – Верхнеитатский и второй – Енисейский (рис. 4) [6, 7].



Для этих участков проведен широкий комплекс геолого-геофизических, гидрогеологических и др. исследований, построены инженерно-геологические и гидрогеологические модели, произведены прогнозные расчеты скорости и времени фильтрации по зонам трещиноватости с предполагаемых глубин подземной изоляции отходов до поверхностной зоны разгрузки подземных вод. Проведено бурение картировочных и нескольких глубоких скважин.

В 2001 году была подготовлена и согласована в крае «Декларация о намерениях строительства подземной лаборатории», в которой в качестве альтернативных вариантов предложены названные участки.

В 2002 году начаты исследования на альтернативном участке «Енисейский». Исследования были сконцентрированы на оценке геологического строения, степени тектонической нарушенности, гидрогеологических условий для выделения однородных, слабонарушенных блоков коренных пород, пригодных для сооружения подземной лаборатории и далее объекта подземной изоляции радиоактивных отходов.

Инженерно-геологические исследования проводились в площадном варианте и включали неотектоническое картирование 1008 км2, режимные гидрологические и метеорологические наблюдения, маршрутно-картировочные исследования 370 пог. км, гелиевую съемку 259 точек, полевые химико-аналитические исследования 85 проб, эманационную съемку 1067 точек.

В ходе проведения геофизических работ территория участка изучалась по 5 магистралям (длиной 10 км каждая) и 3 профилям (протяженностью 7 км каждый): магниторазведка через 25 м – 66 пог. км, электроразведка методами АМТЗ, МПП, ВЭЗ (130 км, 967 км, 130 км), сейсмические исследования – 70 км2, топографогеодезические работы – 70 км, профильная гравиразведка – 70 км, лабораторные определения плотности, магнитных свойств (по 118 образцам), изготовление и описание шлифов. Пробурены 3 скважины глубиной 100 м каждая. В настоящее время начато бурение глубокой скважины с проектной глубиной 1200 м.

Участок «Енисейский», площадь которого 70 км2, из всех перспективных участков Нижнеканского гранитоидного массива наиболее близок территориально к Горно-химическому комбинату (г. Железногорск Красноярского края) – источнику образования предполагаемых для изоляции отходов. Его геологическое строение подобно детально изученному массиву метаморфических пород, вмещающему подземные промышленные объекты Горно-химического комбината.



В процессе многолетней эксплуатации объектов Горно-химического комбината проводились исследования изменения состояния массива скальных пород под воздействием природных (горное давление, влажность, геодинамика) и техногенных (температурные поля и др.) факторов. Натурные результаты, полученные путем крупномасштабных измерений параметров физических процессов (геомеханических, гидрогеологических, геохимических), происходящих в скальном массиве пород в условиях 40-летнего воздействия теплового поля. Полученные взаимосвязи между параметрами состояния скальных пород могут быть использованы в качестве исходных данных при проектировании объектов подземной изоляции как на Нижнеканском гранитоидном массиве, так и других аналогичных объектах в любых скальных массивах пород [8].

Уникальный подземный комплекс Горно-химического комбината представляет в настоящее время возможность отработки технологии длительного и окончательного практического изучения геофизических и геохимических процессов в породном массиве, которые будут протекать при окончательной подземной изоляции РАО.

Экспериментальные работы, проводимые в настоящее время, направлены на получение значений гидродинамических и геомиграционных параметров скального породного массива. Исследования начаты в зонах тектонических нарушений (зонах дробления и рассланцевания). Отдельно выделены опыты в водонасыщенных и осушенных (но водопроницамых) зонах трещиноватости. Периодически изучается минерализация трещинно-жильных вод в сравнении с минерализацией талых и дождевых вод.

На лабораторной установке по изучению фильтрации радиоактивных растворов через образцы керна, расположенной в подземных условиях Центральной заводской лаборатории, проводятся эксперименты с горными породами, остеклованными отходами и реальными радиоактивными растворами при температурах до 300°С и давлениях до 30 МПа, что позволяет имитировать поведение многобарьерной системы изоляции в условиях глубинного захоронения.

При выполнении опытно-фильтрационных работ в 20 исследовательских скважинах проведены гидродинамические и геомиграционные исследования в естественных условиях скального трещиноватого массива пород. В натурных условиях, в зонах техногенной трещиноватости, получены коэффициенты диффузии, скорости сорбции и десорбции с использованием комплексных радиоактивных растворов.

Анализ многолетних натурных исследований физических процессов, определяющих безопасность подземной изоляции, позволил предложить новый подход [6] для обоснования пригодности геологических участков для длительного подземного хранения и захоронения РАО и ОЯТ, основой которого является использование комплекса критериев «риск-затраты».

Заключение

1. На основании анализа объемов, составов и активности всех РАО, накопленных в России, была проведена сравнительная оценка по способам их безопасной окончательной изоляции.

Более 90% всех РАО – низкоактивные. Для этих отходов наиболее эффективным решением является их локализация в приповерхностных или неглубоких подземных вновь созданных или имеющихся объектах. Экологически опасные отходы, содержащие долгоживущие радионуклиды, которые составляют 99% активности всех РАО, должны размещаться в слабопроницаемых глубоких геологических формациях.

2. На основании анализа мест образования основной части радиоактивных отходов, содержащих долгоживущие радионуклиды, и геологических условий для их окончательной изоляции, можно сделать вывод:

– для захоронения ранее накопленных и вновь образующихся на ПО «Маяк» РАО от переработки топлива (от АЭС и оборонных программ, исследовательских АЭС), т.е. в качестве места завершения замкнутого топливного цикла может быть использован массив горных пород в пределах промплощадки комбината;

– возможным местом завершения открытого (для топлива РБМК) и замкнутого топливного цикла (для ВВЭР-1000) является Нижнеканский гранитоидный массив.

3. На площадке комбината ПО «Маяк» исследования по поиску пригодных участков для захоронения РАО проводились с 70-х годов прошлого столетия.

В течение этих лет детально изучена приповерхностная зона до глубины 100 м. Кроме того, в пределах одной площадки М-2 и ее окружения был проведен полный комплекс геолого-геофизических исследований на основе 12 скважин глубиной 1000–1200 м каждая. На основе анализа и обобщения результатов этих исследований можно сделать вывод о потенциальной пригодности массива вулканогенных образований для окончательной изоляции РАО, содержащих долгоживущие радионуклиды в санитарно-защитной зоне ПО «Маяк»

Необходимо завершить геолого-геофизические исследования на этой территории для обоснования площадок и подготовки проектных документов на создание подземной лаборатории в составе подземного объекта окончательной изоляции, согласование которых в государственных и надзорных природоохранных организациях позволит реализовать завершающую стадию замкнутого топливного цикла на базе завода РТ-1.

4. Изучение Нижнеканского массива пород показало перспективность двух участков «Верхнеитатского» и «Енисейского» для сооружения подземной лаборатории как необходимого этапа создания объекта подземной изоляции РАО и ОЯТ.

В 2001 году была подготовлена и согласована «Декларация о намерениях строительства подземной лаборатории».

В настоящее время продолжаются комплексные исследования на выделенных участках по выбору площадки и подготовки «Обоснования инвестиций» в строительство подземной лаборатории.

5. Сравнение условий окончательной изоляции ОЯТ РБМК и ОЯТ типа ВВЭР-1000, показало:

– для топлива типа ВВЭР-1000 необходима переработка с фракционированием и глубоким захоронением нетепловыделяющих ВАО и САО, содержащих долгоживущие радионуклиды. При прямом захоронении ОЯТ ВВЭР-1000, необходимый объем подземного пространства для захоронения в 50–70 раз больше, чем для долгоживущих фракций после переработки;

– для топлива РБМК возможно прямое захоронение после длительной выдержки с вентиляцией.

6. Подземная лаборатория является обязательным начальным этапом создания объекта окончательной геологической изоляции. Только адекватная структурно-тектоническая и гидрогеологическая модель участка, построенная на результатах прямых замеров трещиноватости пород, скоростей и удельных объемов подземных вод, геохимических условий и множества других параметров, должна лечь в основу обоснования безопасности.

7. Новые технологии переработки ОЯТ должны обеспечить не только низкие затраты на стадиях переработки, но и дешевую, безопасную окончательную изоляцию всех видов РАО. При этом с позиции окончательной изоляции:

– не требуется для условий ГХК максимально уменьшать объемы жидких низкоактивных отходов в связи с имеющимися резервами объемов подземного пространства на полигоне «Северный»;

– при фракционировании целесообразно выделять «горячую» фракцию короткоживущих ВАО и уменьшать ее объем. Только эта фракция требует длительного промежуточного хранения с принудительной вентиляцией;

– фракции долгоживущих радионуклидов могут быть эффективно безопасно захоронены сразу после переработки, без промежуточного хранения. Более 99% всех видов отходов, кроме «горячей» фракции короткоживущих ВАО, можно будет захоранивать сразу после переработки.

8. В настоящее время в России уже имеется топливо, для которого возможно прямое захоронение, и ВАО от военных программ и снятия ядерных объектов с эксплуатации, что требует решений и практических действий по созданию двух подземных лабораторий, как обязательных первых этапов создания объектов геологической изоляции на ГХК и ПО «Маяк».

Журнал «Атомная стратегия» № 13, сентябрь 2004 г.