CC BY
56
УДК 622:658.26:(24):004.4 С.А. Чесноков
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОДЗЕМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ПЕРВОЙ ТРЕТИ ХХI ВЕКА
Дано описание опасных промышленных отходов, показана необходимость их подземного захоронения на основе опыта создания подземных хранилищ радиоактивных отходов. Представлены требования к инженерным барьерам и буферным материалам. Ключевые слова: Опасные промышленные отходы, подземное хранилище, инженерный барьер, буферные материалы.
Современный этап развития отечественной энергетики характеризуется созданием надёжных объектов с повышенной степенью защищённости от террористических актов, изощрённость которых постоянно возрастает. Также подземная компоновка более надёжна при анализе асте-роидно-кометной опасности, анализу которой в последнее время уделяется всё большее внимание.
Можно полагать, что наиболее защищёнными энергообъектами являя-ются установки, размещённые под землёй. Кроме того, такие объекты требуют отвода меньших поверхностных площадей, чем открытые станции, что в условиях их высокой стоимости достаточно актуально.
Интересно сравнить подземную и наземную компоновку энергообъектов на восприятия внешних воздействий в процессе их эксплуатации [1].
В целом приведённое сравнение свидетельствует о значительных преимуществах компоновки по сравнению с наземной — 23 балла против 67, т.е. почти в три раза.
Серьёзным преимуществом наземной компоновки является снижение приведённой стоимости объекта — на-
земная компоновка на 30—40 % дешевле. Однако этот показатель постоянно будет уменьшаться по мере совершенствования технологии ведения подземных работ. Так в условиях Швеции и Норвегии стоимость ведения подземных и наземных работ буровзрывным способом в условиях Финно-Сканди-навского кристаллического щита примерно равны.
Рассмотрим подземные компоновки гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) [2], подземных атомных электростанций (АЭС) малой мощности [3] и подземных хранилищ высокоактивных отходов (ВАО) и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) [4]. Если два первых энергообъекта могут выполняться в наземной компоновке, что так и делается в настоящих условиях, то подземные хранилища ВАО и ОЯТ являются по заключению ядерных специалистов и Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) единственно возможным вариантом. Подземная компоновка АЭС позволит успешно решить сложнейшую проблему окончания ядерно-топливного цикла — снятия АЭС с эксплуатации и захоронения РАО.
Факторы
Сравнительная оценка в баллах Подземная Наземная
Метеорологические и климатические исходные
события.......................................8 26
в том числе:
смерч, ураган..............................1 5
температурные колебания....................1 1
осадки (дождь, снег).......................1 5
песчаная буря .............................1 2
снежная лавина, сель.......................1 2
туман .....................................1 2
цунами, заполнение наземными
водами ....................................1 5
падение метеорита .........................1 4
Г идрогеологические и гидротехнические внешние
сходные события ..............................6 11
в том числе
затопление подземными водами...............1 1
сейсмические воздействия...................4 7
горный удар не рассматривается
оползень ..................................1 3
вулканическая деятельность не рассматривается Техногенные внешние
воздействия...................................9 30
в том числе
воздействия близлежащих
промышленных объектов......................1 5
(газопроводы, взрывоопасные
производства и др.) .......................1 4
внешние токсичные газы ....................1 2
пожар......................................2 1
падение самолёта ..........................1 5
военная активность ........................1 5
теракты и диверсии ........................1 5
физическая защита объекта .................1 3
Приведённая сметная
стоимость объекта ............................1,3—1,4 1
Рассмотрим проблему подземной энергетики для двух интенсивно развивающихся направлений в мировой энергетике гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) [2] и подземные атомные станции (АЭС) [3], включая подземные хранилища ВАО и ОЯТ [4].
Г идроаккумулирующие электростанции получили своё интенсивное развитие в мировой энергетики во второй половине ХХ века. Принцип их работы базируется на сочетании двух режимов работы. В первом из них станция работает в генераторном режиме, вырабатывая электроэнергию
Рис. 1. Компоновка ГАЭС с подземным нижним бассейном: а — одноступенчатая схема; б — двухступенчатая схема; 1 — верхний бассейн; 2 — водоприемник; 3 — шахтный водовод; 4 — машинный зал; 5 — нижний бассейн; 6 — промежуточный бассейн; 7 — уравнительный резервуар; 8 — подводящие водоводы; 9 — отводящие водоводы; 10 — трансформаторное помещение; 11 — строительная шахта; 12 — подходная выработка; 13 — вентиляционная выработка; 14 — шахта для вентиляции и выдачи мощности; 15 —поверхностная энергоустановка; 16 — камера затворов; 17 — соединительные, тоннели
при сбросе воды из верхнего водохранилища (бассейна) через вертикальные облицованные водоводы в нижнее. Во втором режиме происходит откачка воды из нижнего бассейна в верхнее по тем же водоводам, станция работает в насосном режиме, т.е. происходит «зарядка» станции. Эти станции могут также работать в аварийном режиме, когда какой-либо элемент энергосистемы выходит из строя и необходимо поддержать нужную частоту в системе. Станции запускаются в работу за несколько секунд. В них устанавливают так называемые обратимые агрегаты, которые могут работать как в генераторном, так и в насосном режимах. Естественно, что затраты энергии на перекачку воды из нижнего бассей-
на в верхний выше, чем при сбросе воды и работе станции в генераторном режиме, за счёт существенной разницы в стоимости дневной (более высокой) энергии по сравнению с ночной, когда обычно происходит зарядка станции, станции оказываются рентабельными.
Для равнинного рельефа Европейской части России, где потребность в такого рода станциях особенно велика, целесообразно выполнить станцию в подземной компоновке, когда машзала и выработки нижнего бассейна располагаются на определенной глубине, определяющей напор станции и, соответственно, её мощность.
Впервые проект такой станции был предложен шведскими инженерами на
совещании по гидроэнергетики в Москве в 1967 г.
По западным экспертным оценкам гидроаккумулирующие мощности для оптимальной энергосистемы должны составлять до одной трети всех генерирующих мощностей энергосистемы.
На территории СССР функционируют две станции открытого типа — экспериментальная Киевская ГАЭС мощностью 225 МВт и Загорская ГАЭС мощностью 1500 МВт. В настоящее время строится вторая очередь Загорской ГАЭС такой же мощности.
Имелись данные о строительстве подземной Г АЭС в Швеции, позднее эта информация исчезла. Известен проект американских инженеров по двухступенчатой подземной ГАЭС с первым напором 1500 м и вторым напором такой же величины (рис. 1).
Первоначально для исследований был предложен проект института Гидропроект им. С.Я. Жука для подземной станции на напор 1200 м мощностью 1200 МВт, предполагаемой к расположению в Ленинградской области в кристаллических породах Финн-Скандинавского щита- гранитах типа рапакиви.
Комплексно-системные исследования по оценке устойчивости большепролётных выработок нижнего бассейна на глубоких горизонтах, предназначенных для безнапорного хранения воды, впервые были проведены в практике подземного энергетического строительства были выполнены под руководством автора в отделе туннельных работ Всесоюзного института «Оргэнергострой».
Работы проводились для физикомеханических показателей пород типа гранита рапакиви, полученных в результате испытаний извлечённых из разведочных скважин образцов пород в объёмной камера Кармана в ИГД им. А.А. Скочинского.
Расчёты были проведены методами теории упругости совместно с Тульским политехническим институтом, в результате которых по выполнению условия Кулона-Мора были получены так называемые зоны неупругих деформаций, которые подтвердили достаточную устойчивость выработок нижнего бассейна и машинного зада. Также на моделях методом фотоупругости были определены неупругие деформации в окрестности выработок нижнего бассейна, которые также подтвердили их достаточную устойчивость. Далее были проведены модельные исследования методами эквивалентных материалов с имитацией строения скального массива, систем трещин и т.д. с доведением модели до разрушения. При этом коэффициент запаса устойчивости выработок был определён в 1,6, что достаточно для незакреплённых выработок. Учёт заполнения камер водой в безнапорном режиме выполнен за счёт уменьшения физико-механических характеристик пород по контуру выработки на 10 %. Этим учитывалось возможное ослабление пород при смачивании водой трещин, сбросов и других дефектов кристаллического массива.
Вероятностными методами совместно с институтом НИИОСП им. Н.М. Герсеванова были оценены максимальные размеры вывалов породы и контура выработок нижнего бассейна, которые не превысили 50 куб. м, что вполне допустимо для таким размеров выработок нижнего бассейна.
Также методом конечных элементов для пространственной ассиметричной задачи была оценена устойчивость выработки нижнего бассейна цилиндрического очертания путём определения размеров условных зон неупругих деформаций.
Значительные исследования были посвящены от работки оптимальной технологии ведения горно-проходческих работ. Рассматривалось три возможных варианта, основанных на использовании буровзрывного метода. Поэтапное раскрытие выработок: сначала шпуровым бурением раскрывается подсводовая часть, далее вертикальной скважинной отбойкой послойно отрабатывается остальная часть с транспортировкой породы по горизонтальному горизонту.
По второму варианту рассматривалось использование скважинной отбойки, выполняемой из заранее пройденных штолен по контуру сечению основной выработки. Выпуск взорванной породы производится из ниже расположенных выпускных воронок на нижележащий откаточный горизонт. Эта система оказалась на 25—30 % дешевле первой.
В третьем варианте рассматривалось использование мощных камуфлетных зарядов нехимических ВВ. Для этого единая выработка нижнего бассейна отделялась от окружающего массива системой штолен и скважинной отбойкой, создавая отрезные щели, после чего производился взрыв мощных нехимических ВВ и выпуск взорванной породы через нижерасположенные выпускные воронки на нижележащий откаточный горизонт. Эта система оказалась ещё на 20 % дешевле второй.
Вариант использования тоннелепроходческих комбайнов не рассматривался, поскольку в то время не было боль-шепролётнных, машин диаметром 10— 12 м. В настоящее время имеется парк таких импортных машин, их использование вполне возможно, хотя для незакреплённых выработок нижнего бассейна не нужен ровный малонарушенный контур Стоимость использования тоннелепроходческих машин вызовет удо-
рожание проходческих работ на 20 % по сравнению с первым вариантом.
Вторым направлением исследований подземных ГАЭС явилось новое для подземной гидроэнергетики предложение об использовании в качестве выработок нижнего бассейна станции, возможно, машзала отработанных выработок горно-рудных предприятий [4].
Рассматривался вариант, так называемой Губкинской подземной ГАЭС, где в качестве выработок нижнего бассейна на напор станции в 300 м. автором было предложено использовать незакреплённые камеры горнорудного предприятия-шахты им. Губкина. Эти камеры находятся в устойчивом состоянии на протяжении 35-40 лет и располагаются в железистых кварцитах необычайно высокой прочности до 20 и выше по шкале проф. М.М. Протодьяконова Предполагалось затопить около 10 млн куб м полостей, создать с использованием рабсилы и квалифицированных проходчиков предприятия разработать помещения машзала или приспособить одну из камер
К достоинствам такого технического решения относятся следующее:
• значительное сокращения расходов на создание выработок нижнего бассейна, которые имеются уже практически в готовом виде — при необходимости надо провести лишь соединительные тоннели;
• не вызывает сомнений устойчивость выработок и её долговременный прогноз, т.к. на протяжении многих десятилетий они находились в устойчивом состоянии под наблюдением геологических и маркшейдерских служб рудника;
• достаточная изученность породного массива позволяет надёжно запроектировать вертикальные водоводы и помещение машинного зала;
• наличие квалифицированной рабсилы позволит быстро и качественно
выполнить проходку вертикальных водоводов и помещение машзала.
Проведённые в институте «Оргэнер-гострой» расчёты напряжённо-деформированного состояния подземных выработок позволили выработать рекомендации по оценке устойчивости выработок нижнего бассейна и помещения машзала для Ленинградской и Губ-кинской ГАЭС, которые были использованы ведущей проектной организацией в дальнейших стадиях проектирования.
Вторым возможным направлением развития энергетики первой трети XXI века могут явиться подземных АЭС малой мощности.
На первых этапах исследований подземных АЭС рассматривалось размещение под землёй мощных до 1000 МВт — ядерных реакторов, от идеи использования в силу ряда причин пришлось отказаться ( необходимость моделирования аварии реактора с расплавлением активной зоны и создания крупногабаритных подземных полостей для локализации газовых выделений при аварии реактора и т.д.).
В настоящее время представляется целесообразным использовать судовые корпусные ядерные реакторы небольшой мощности от 40 до 70 МВт, которые в течение ряда лет успешно применялись практически без аварий на атомных подводных лодках [5].
Эти реакторы обладают высокой надёжностью, при их эксплуатации не рассматривается вариант аварии с расплавлением активной зоны в силу достаточной защищённости корпуса реактора, они обладают небольшими размерами, что позволяет для их использования под землей успешно применять высокомеханизированные способы проходки [6].
На настоящем этапе борьбы с терроризмом представляется целесообразным отказаться от перевозки отработавшего
ядерного топлива (ОЯТ) и высокоактивных отходов (ВАО) от работающей станции до подземного хранилища республиканского или регионального значения. В таком случае в компоновке подземной АЭС должен быть предусмотрено нижерасположенное на глубине более 300 м хранилище ОЯТ и ВАО
Хранилище ВАО и ОЯТ должно выполняться с рядов инженерных барьеров, созданных по принципу «матрёшки», когда выход их эксплуатации одного или более барьеров не приведёт к выходу из эксплуатации всего хранилища. Для этого предлагается следующая схема захоронения ВАО и ОЯТ.
Остеклованные отходы помещаются в замкнутую металлическую бочку, снаружи облицованную карбидом кремния — матери хорошо воспринимающим радиационную нагрузку и являющимся хорошей тепло и гидроизоляцией. Далее размещается основной инженерный барьер, состоящий из слоя радиационностойкого бетона, замкнутого металлического из легированной стали листа и наружного слоя обычного бетона, Далее размешается инженерный барьер из бентонита, хорошего тепло и гидроизоляционного материала. Эта конструкция посещается в геологический массив, являющийся последним инженерным барьером. Такая конструкция должна обеспечить надёжную изоляцию отходов. При этом возможно два варианта компоновки подземных АЭС малой мощности. По первому ядерные реакторы и турбины размещаются в вертикальных стволах, уширенных по мере необходимости в местах расположения этого оборудования. Во втором варианте ядерные реакторы и турбины располагаются в пройденных горизонтальных выработках (кавернах). Если станция сооружается в прибрежных районах, то на крупных баржах устанавливаются ре-
акторы и турбины и заводятся по воды в каверны, расположенные на побережье. Затем производится изоляция каверн от биосферы в течение многих сотен и тысяч лет моря и выполняется откачке воды, при этом баржи опускаются на подошву выработки, образуя надёжную конструкцию. Также в составе станции выполняются хранилища, располагаемые на глубинах более 300 м. Компоновка расположения ядерных реакторов в отдельных выработках позволяет после вывода реакторов из эксплуатации (после 30—50 лет) заглушить их по описанной ниже технологии, а в рядом пройденных вертикальных или горизонтальных выработках расположить реакторы второго поколения и присоединить их к существующим турбинам, имеющим более присоединить их к существующим турбинам, имеющим более продолжительный период эксплуатации, чем реакторы.
Подземные компоновки АЭС позволяют успешно решить важнейшую проблемы вывода станций из эксплуатации, сложнейшего этапа ядерно-топливного цикла. По требованиям МАГАТЭ станции должны выводится из эксплуатации до уровня так называемой «зелёной лужайки» — создания на поверхности экологически чистой среды. Для подземных АЭС эта проблема значительно упрощается. После окончания эксплуатации станции ствол с ядерным реактором просто засыпается сверху составом из бентонитовой глины и порошкообразного свинца. Кроме того, могут быть
1. Румянцев В.А., Чесноков С.А. Технологические проблемы создания подземных АЭС//Проблемы транспортных и инженерных коммуникаций. 1996 г. № 4. С.12—17.
2. Шейнман Л.Б., Чесноков С.А. Подземные гидроаккумулирующие электростанции, Ин-формэнерго. М. 1974. 65 с.
использованы предлагаемые в настоящее время уранииды, которые также значительно снижают уровень радиации, В компоновке станции в горизонтальных выработках также выполняют заполнение горизонтальной выработки указанными выше материалами, Сверху ствол закрывается армированным радиационностойким бетоном, позволяющим окончательно захоронить станцию. Также в горизонтальных выработках устраивают железобетонную стену из радиационностойкого бетона. Таким образом выполнится требование МАГАТЭ по залёной лужайке».
Значительный интерес представляют энергокомплексы АЭС-ГАЭС в подземной компоновке [6]. Такое сочетание двух станций позволяет вырабатывать электроэнергию в базисном режиме графика энергопотребления на АЭС, и регулировать дневную и ночную выработку, а также в аварийных ситуациях на ГАЭС при этом предполагается, что в конструкции АЭС будет предусмотрено хранилище ВАО и ОЯТ в подземной компоновке.
Изучаются варианты создания такого подземного энергоблока в отработанных выработках горно-рудных предприятий
[7, 8].
Проведённые в институте «Орг-энергострой» исследования подтвердили возможность создания современных подземных энергетических объектов повышенной надёжности и максимально антитеррористические защищённых.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Кедровский О.Л., Чесноков С.А., Коко-садзе А.Э. и.др. Подземные электростанции малой мощности//Труды Тульского государственного университете. Серия «Науки о Земле». ТулГУ. 2009. № 4. С. 113-115.
4. Чесноков С.А., Фридкин В.М., Кокосадзе А.Э. и др. Геомеханические аспекты конструирования храналищ ВАО и ОЯТ в глубинных
геоформациях с инженерными барьерами поышенной надёжности // Известия ТулГУ. Серия «Г еомеханика. Механика подземных сооружений». Вып. 4. Тула ТулГУ. 2006. С. 211218.
5. Чесноков С.А., Шейнман Л.Б. Подземные ГАЭС в отработанных горных выработ-ках//Информэнергно. М. 1976. 68 с.
6. Дмитриев С.А., Кедровский О.Л., Чесноков С.А. и др. Инновационные технологии создания подземных АЭС малой мощности // Труды Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и
экономика атомной энергетики (МНТК 2008). М. 21—23 мая 2008 г. С. 912-915.
7. Чесноков С.А. Геомеханические проблемы создания энергокомпллексов АЭС-ГАЭС в отработанных горных выработках// Подземное и шахтное строительство. № 4. 1991. С. 2-5
8. Roumyantsev V.A., Chesnokov S.A. Ecological and technological advantages of using the mined out underground space for power engineering //Proc. First. World Mining Environmental Congress. New Delhy. India 1995. — P. 253-257.
IISTJsl
— Коротко об авторе -------------------------------------------------------------
Чесноков С.А. — консультант ЗАО «Институт Оргэнергострой». Член Тоннельной ассоциации и Ядерного общества России, e-mail: post@ioes.ru
А
Все привыкли, что журналы выпускаются в мягкой обложке. С какой целью вы издаете ГИАБ в переплете?
В ГИАБе много нестандартных подходов. Нашим подписчикам и читателям нравится его необычность. Хотя наряду с желанием угодить читателям есть и практические соображения. Многие считают ГИАБ энциклопедическим журналом по объему информации и подбору тем.
Поэтому большая часть авторов и подписчиков ГИАБа хранят его номера десятилетиями. А у обложечных журналов век короток.
Дизайн ГИАБа тщательно продуман, и его подписка украсит полки библиотек, как домашних, так и публичных. Каждый номер используется студентами и аспирантами десятки раз. Если бы они переплетались в обложки, то уже через месяц разлетелись бы постранично, а нерадивые читатели изымали бы нужные им страницы. Взвесив все достоинства и недостатки, мы решили остановиться на твердом переплете.
