CC BY
39
© С.А. Чссноков, А.Э. Кокосадзс, В.М. Фридкин, О.В. Малькова, И.Л. Писарсв, 2008
УДК 622.692.24
С.А. Чесноков, А.Э. Кокосаазе, В.М. Фридкин,
О.В. Малькова, И.Л. Писарев
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ВЫСОКОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА В ГЛУБИННЫХ ГАЛОГЕННЫХ ГЕОФОРМАЦИЯХ
Семинар № 10
Реализация экологических программ Российской Федерации, разрабатываемых в соответствии с Федеральным законом № 7-ФЗ от 10.01.2002 г. «Об охране окружающей среды» (глава IV, ст. 14, 15), и участие России в создании Международной системы коллективной экологической безопасности требуют изменения подхода как к технологиям создания и утилизации некоторых видов технической продукции, так и к техническим решениям инженерных сооружений, используемых такими технологиями. В современных условиях производственная деятельность должна, вместе с тем, базироваться как на учете все возрастающих экологических требований, так и на внимании к распространению террористической угрозы. Терроризм в начале XXI века, к сожалению, становится все более «изощренным», в том числе и способным использовать весьма совершенные средства мощного воздействия на атакуемые объекты.
Для атомной промышленности, включая энергетику, существуют три важнейших проблемы в области раз-
работки технических решений и создания защитных сооружений:
- обеспечение достаточного уровня безопасности существующих предприятий, как действующих, так и выведенных из эксплуатации, в том числе и вследствие аварий;
- создание нового поколения сооружений для большой атомной энергетики;
- создание сооружений, включающих комплексы высоконадежных инженерных барьеров для обеспечения безопасного окончательного захоронения высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива.
Радиоактивные отходы (РАО) образуются на всех технологических этапах ядерного топливного цикла (ЯТЦ). Наибольшую опасность для окружающей среды представляют высокоактивные отходы (ВАО), которые хотя и составляют небольшую долю от общего количества (около 1 %), но дают более 99 % суммарной активности и отличаются наличием долгоживущих трансурановых радионуклидов с большим периодом полураспада и высокими тепловыделением. Такие отходы - реальные потенциальные ис-
точники загрязнения биосферы в течение сотен тысяч и миллионов лет.
Объём ВАО в России относительно невелик - 80,6 тыс. м , к этому объёму следует добавить объём ВАО, образующийся от переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) - 0,1 м3 ВАО от 1 т ОЯТ.
Согласно концепции Минатома РФ по обращению с РАО и рекомендациям Международного агентства по атомной энергетики (МАГАТЭ) при ЯТЦ глубинные геологические хранилища являются в долгосрочной перспективе единственным безопасным вариантом изоляции ВАО от окружающей среды (биосферы) и человека.
Это положение резюмировал Генеральный директор МАГАТЭ Мохаммед Эль Барадей на Международной конференции по геологическим хранилищам в декабре 2003 г. в Стокгольме: «Сейчас геологические
хранилища стали рассматриваться не как один из множества вариантов завершения ЯТЦ, но как единственное приемлемое решение, достижимое в ближайшее время. Многие государства - члены МАГАТЭ считают глубокие подземные хранилища в соответствующей геологической среде самой предпочтительной альтернативой обращения с ВАО, сдерживающей распространение радиоактивности». При этом следует отметить, что ранее апробированные технологии промежуточного хранения (до 50 лет) РАО признаются специалистами полумерами, уже не отвечающими принципам устойчивого развития и переносящими на будущие поколения необоснованное бремя конечной утилизации ядерных отходов [1].
Концепция использования недр Земли как основного барьера надёжной подземной изоляции ВАО, удерживающего тепловые и радиационные
потоки от попадания в биосферу, бесспорно, является общепринятой [2]. Однако новейшие представления о долгосрочном геомеханическом поведении планеты Земля и о надёжности сред, ранее считавшихся наиболее предпочтительными для размещения РАО - кристаллических пород, глин и солей, показали наличие достаточного количества проблем.
Надежность хранилища в глубинных геоформациях определяется тремя связанными между собой характеристиками среды: возможными каналами миграции радионуклидов, встречающимися потоками подземных вод и газов и имеющимися естественными и техногенными тепловыми потоками. Доминирующим фактором при обеспечении пригодности глубинной геоформации для размещения хранилища ВАО является достаточная устойчивость среды по отношению к физическому воздействию ВАО (радиация, тепловыделение) и ее низкие фильтрационные свойства, ограничивающие распространение радионуклидов с подземными водами [3].
С учетом этих факторов «сухопородные» месторождения соли и глинистые массивы имеют неоспоримые преимущества перед массивами кристаллических скальных пород, например, гранитов или гранито-гнейсов. Любые горные породы теоретически содержат некоторое количество воды, но в солях и глинах не обнаруживались явные, соединенные между собой и заполненные водой поры, способные образовать пути для переноса растворенных долгоживущих радионуклидов, что нельзя сказать о массивах кристаллических пород типа гранитов или гранито-гнейсов.
Мощные отложения каменной соли единодушно признавались подходящей геологической средой для длительного захоронения РАО и ОЯТ.
Нарушение сплошности соляного массива считалось возможным лишь вследствие непредсказуемых тектонических процессов в земной коре и затопления выработок хранилища.
Исследования в галогенных формациях проводятся во Франции, Испании, России, для скваженных хранилищ - в Дании (купола Линде и Море) и Нидерландах, для хранилищ в соляных куполах - в США (месторождение Карлс-Бад, штат Нью-Тексико с 1960 г., хранилище WIPP), в Германии (Нижняя Саксония, месторождение Горлебен) [2] и в других странах.
Одним из первых требований, предъявляемых к вмещающим хранилище галогенным породам, является их мощность или объем.
Выбор крупных блоков каменной соли, способных вместить не только подземные объекты хранилища, но и создать вокруг него буферную зону, не вызывает, как правило, значительных осложнений: мощные пласты и крупные куполообразные структуры позволяют это сделать.
Для каменной соли характерны низкие коэффициенты проницаемости. Через буферную зону мощностью 100 м диффузионный перенос цезия-137 возможен только через 1,4 млн. лет. Теплопроводность каменной соли в 1,5...3 раза выше, чем гранитов, и в 3,5 раза выше, чем глины. Нагрев каменной соли до температуры 200.250 °С не вызывает структурных изменений.
К положительным качествам каменной соли можно отнести пластичность и способность восстанавливать сплошность, залечивая разрывные нарушения, а также сочетание сравнительно высоких прочностных свойств с простотой разработки и проходки выработок, сейсмическую устойчивость подземных сооружений. Отсут-
ствие в течение длительного геологического времени (250.270 млн. лет) миграционных процессов между каменной солью и генетически не связанными с процессами солеобразова-ния компонентами (марганец, титан, ванадий, медь) может свидетельствовать о существовании стабильных условий внутри солевых залежей [3].
По своим положительным качествам каменная соль может быть использована для наиболее жестких по радиационным и тепловым нагрузкам вариантов длительной изоляции РАО.
Как негативные качества при определении пригодности соляных толщ для подземного строительства долговременного хранилища, следует рассматривать: растворимость породы
водой, ограничение прогрева массива каменной соли до 250 °С, наличие внутрисолевых рассолов, терриген-ных, песчаных линз, прослоев или замкнутых каверн с аномально высоким давлением. В качестве каналов миграции в соляных породах в первую очередь следует рассматривать литологические и структурные границы, которые в пластовых телах соли могут иметь значительную протяженность. Сорбционные свойства каменной соли к радионуклидам стронция-90 и цезия-137 крайне малы.
Одной из наиболее актуальных проблем при строительстве подземных сооружений (горных выработок) хранилища в каменной соли является учет влияния времени на напряженно-деформированное состояние каменной соли вокруг выработок. Каменная соль, являясь упруго-пластической средой, характеризуется значительной деформацией ползучести, что может ограничивать, по мнению некоторых исследователей, глубину заложения горных выработок до 600 м. Изучение реологических свойств каменной соли имеет большое значе-
ние при проектировании, строительстве и эксплуатации горных выработок хранилища.
Широкомасштабные зарубежные исследования за последние более чем 20 лет по геомеханическому поведению массива каменной соли и динамике ее проницаемости в окрестности ликвидируемых каверн дают основания для иного отношения к оценке такой среды как исключительно стабильной естественной преграды на пути миграции из хранилища высокоактивных компонент захороненных отходов. Было доказано экспериментально, что при высоких давлениях нагнетания насыщенного рассола в закрепленную обсадной колонной скважину, пробуренную в массиве каменной соли, происходит медленное поглощение рассола соляным массивом по многочисленным микротрещинам в области подбашмачного пространства открытой части скважины, то есть своего рода пропитывание пласта соли рассолом [4].
Выяснилось, что свойством структуры любой каменной соли является наличие исходных трещины с величиной раскрытия около 2-3 мк. При практически постоянном давлении нагнетания, не превышающем давления обычного гидроразрыва покрывающей толщи горных пород, в соляном массиве прогрессирует сеть микротрещин по границам кристаллов и зерен соли. Такая сеть представляет, по сути, совокупность множественных микроскопических гидроразрывов, сопровождающихся нарушением исходной структуры соли, увеличением ее объема (дилатансией), развитием гидравлической связи ранее замкнутых пор и нерастворимых включений. Как результат, локальная проницаемость соляного массива лавинообразно возрастает в тысячи раз, при увеличении пористости всего на 0,2 %.
Этот фактор необходимо учитывать, в частности, при проектировании шахтных выработок в каменной соли для хранения РАО, где из-за достаточно вероятного развития проницаемости массива целесообразно создание специальных инженерных барьеров повышенной надежности между солью и контейнерами с ВАО и ОЯТ [4].
Проблема проектирования и строительства хранилища для ВАО до сих пор содержат много нерешенных вопросов и ставит важные геотехнические задачи [3]:
• определение влияния трех важнейших факторов: времени, температуры и радиации;
• решение задач о взаимодействии тепловых, гидрогеологических и механических факторов;
• разработка прогнозных долгосрочных моделей с расширенными возможностями, включая общетеоретические проблемы и конкретные исходные данные для точного воспроизводства реальных процессов.
Несмотря на строгие требования и ограничения, существующие в настоящее время по созданию хранилищ для окончательного захоронения ВАО в глубинных геоформациях, разрабатываемая технология захоронения ВАО в шахтах имеет несомненное преимущество перед хранилищами в горизонтальных горных выработках (ГВ).
Размещение ВАО в вертикальных шахтных стволах большого диаметра (4,5.9 м) имеет следующие основные преимущества перед ГВ:
1. Малая удельная поверхность вскрытия горных отводов в плане по сравнению с ГВ вследствие отсутствия подходных, вскрывающих, технологических и других выработок.
2. Повышенная устойчивость вертикальной цилиндрической выработки при сейсмических и других
природных и техногенных воздействиях на глубокие горизонты хранилища.
3. Минимальный риск вскрытия крупных тектонических и обводненных трещиноватых зон, возможность их эффективной гидроизоляции в пристволовом пространстве.
4. Возможность более надежного изучения массива пород при проходке ствола по керновым материалам по передовому бурения скважин.
5. Ограниченные площади отвода земель, отсутствие проблем дальнейшей транспортировки ВАО при размещении хранилищ ВАО и ОЯТ вблизи от АЭС.
6. Воздействие проектной или запроектной аварии на шахтный ствол обусловлено малым объемом горных работ и ВАО в связи с интервальным (секционным) размещением ВАО по высоте.
7. Сооружение хранилищ в шахтных стволах в более короткий период времени, чем размещении их в ГВ, сокращенный период подготовки и проведения ОКР.
8. Ограниченное развитие зон геомеханических и гидрофильтрационных воздействий шахтных стволов на окружающую среду в связи с отсутствием гидростатических давлений в приствольной зоне, стесненной деформацией породного массива; возможность размещения хранилищ в зонах с практически застойным режимом водообмена (гидрофильтрации, гидрогеомиграции).
9. Ограниченное развитие зоны геотермальных (гидротермальных) воздействий ВАО, в связи с их рассредоточением в породном массиве и повышением удельной площади контактов в системе «ВАО-геологическая среда».
К недостаткам хранилищ размещаемых в шахтных стволах можно отнести:
- возможность развития вокруг стволов на всю их высоту зон вторичной трещиноватости, которые при определенных условиях могут стать каналами распространения радионуклидов при повреждении инженерных барьеров;
- при сооружении нескольких шахтных стволов возможно образование большого по величине объема извлеченных пород, испытывающего техногенное воздействие;
- определенная сложность ведения горных работ по сравнению с ГВ;
- трудность изъятия контейнеров с отходами из стволов через длительное время при технической необходимости.
Важнейшим элементом подземного хранилища ВАО является конструкция инженерного барьера.
Для обеспечения безопасного захоронения высокоактивных отходов важную роль играют отработка технологии формирования первичного инженерного барьера, его радиационного, температурного и физико-меха-нического режимов длительного хранения в различных средах.
Выбору рациональных конструкций инженерных барьеров посвящен ряд работ [5-9], в которых для каждой выбранной глубинной геоформации рекомендуется принимать технические решения барьеров с применением хорошо изученных и апробированных конструкционных материалов, которым предстоит работать в надежно прогнозируемом диапазоне времени до 10000 лет и более в условиях механических, тепловых и радиационных воздействий.
Природно-техническая система «геомассив - инженерный барьер» (или «мультибарьер») в обязательном порядке должна иметь необходимую и достаточную прочность и устойчивость для восприятия современных
ударно-динамических воздействий, включая и нагрузки от потенциально возможных террористических угроз.
Поскольку полная система инженерных барьеров состоит из целого ряда компонентов, часть из которых выполняет одновременно несколько функций, необходимо обязательно проводить оценку взаимодействия различных барьеров. Для хранилищ в глубинных геоформациях особую озабоченность вызывают так называемые поверхности раздела, в частности, между инженерными конструкциями и окружающей средой, а также использование заполняющих и герметизирующих материалов, так как для окончательной изоляции хранилища от биосферы необходимо заполнить и полностью герметизировать целый ряд различных проходов, включая исследовательские буровые скважины.
В качестве примера возможного принципиального конструктивного решения рассмотрим предложение [1] по созданию фрагмента хранилища в виде вертикальной цилиндрической ёмкости, разделенной на отсеки, в каждый из которых на глубину не менее 300 м должны опускаться специальные контейнеры с В АО или ОЯТ. Для этого с применением современных тоннелепроходческих буровых машин необходимо на глубину до 1000 м пройти вертикальный ствол диаметром порядка 6.9 м, закрепляемый при проходке монолитной, сборно-монолитной или сборной железобетонной обделкой толщиной приблизительно от 20 до 40 см. При всем желании строителей подземного сооружения сейчас и в обозримом будущем вряд ли удастся с помощью только такой обделки создать сколько-нибудь надежный «мультибарьер», исключающий на тысячи и десятки тысяч лет миграцию радионуклидов
из хранилища в геомассив. Слишком велики и не вполне определенны сверхпродолжительные функциональные нагрузки на несущую конструкцию обделки, выполнимой, скорее всего, из стали и бетона, при любых реально достижимых физико-механических, химических и радиационных свойствах этих наиболее изученных современных конструкционных материалов.
Поэтому внутри пространства ствола возводится от днища «снизу вверх» специальная сталежелезобетонная оболочка на основе «Композитного несущего элемента строительных конструкций» (КНЭСК), согласно патенту [10], с внутренними и внешними горизонтальными ребордами. Внутренние реборды служат для установки перекрытий, разделяющих отсеки. Внешние реборды через заполнитель частично передают на первичную обделку и далее -на геомассив нагрузку от собственного веса встроенной оболочки и хранящихся в ее отсеках продуктов, включая контейнеры с ВАО или ОЯТ.
В принципе, при необходимости, внутренняя оболочка может иметь и более сложную структуру, определяемую при проектировании на основе результатов решения статических и динамических задач геомеханики, моделирующих, в частности, изменчивость всех физико-механических характеристик материалов «мультибарьера» во времени с учетом температурного и радиационного факторов.
Безусловно, предлагаемое техническое решение экономически значительно более затратно, чем конструкция обычного вертикального ствола с обделкой, но, по-видимому, в данном случае «цель оправдает средства» для своего достижения, и результат ока-
жется приемлемым, особенно для международного сообщества.
Использование предлагаемой конструкции вертикального ствола с элементами КНЭСК позволило авторам в развитие идей академика АГН и РАЕН ветерана Минатома профессора О.Л. Кедровского использовать вертикальные стволы для размещения в них компактных ядерных установок мощностью в десятки МВт, которые могут быть задействованы не только для выработки электроэнергии, но и для промышленного получения водорода в рамках развития водородной энергетики. Для этого авторами предлагается ряд конструктивных решений [11], позволяющих в принципе создать в галогенных формациях приземное промышленное здание, защищенное от наружного поражения и ограждающее внешнюю среду от внутренних запроектных аварий ядернохимического объекта.
1. Чесноков С. А., Фридкин Б. H., Малькова О.Б., Кокосадзе А.Э., Писарев И.Л. Геомеханические аспекты конструирования хранилищ высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива в глубинных геоформациях с инженерными барьерами повышенной надежности // Известия ТулГУ. Серия «Геомеханика. Механика подземных сооружений». Выпуск 4 - Тула, Изд-во. ТулГУ. - 2006. -267 с. - С. 211-218.
2. Шишиц И.Ю. Основы инженерной георадиоэкологии: Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Изд.МГГА, 2005 г. - 711 с.
3. Берчеба А.А., Кедровский О.Л. Геотехнология надежной и экологически безопасной изоляции радиоактивных отходов и сухого хранения отработавшего ядерного топлива. - М.: МГГУ, 2005 г. -72 с.
4. Гольденберг Ю.С., Косно в Е.К., Сильвестров Л. К. Геоэкологическое обоснование нетрадиционного метода захо-
Под перекрытием этого здания с его днища выполняется проходка существующим шахтным оборудованием нескольких вертикальных стволов диаметрами 9.14,5 м на глубины более 300 м для размещения неизвлекаемых ядерных реакторов, сопутствующего технологического оборудования и ОЯТ. Благодаря этому в соляном куполе реализуется принцип замкнутого ЯТЦ, что соответствует концепциям Росатома России. По аналогичной технологии в том же куполе или в других куполах могут быть созданы глубинные долговременные хранилища ВАО и ОЯТ, получаемых от других ядерных установок.
В целом на основе предлагаемого подхода может быть создано комплексное предприятие, вырабатывающее электроэнергию, тепло и водород, наиболее защищенное и безопасное с точки зрения экологии региона своего расположения.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ронения радиоактивного хлорнатриевого рассола в массиве каменной соли // В книге: «Сергеевские чтения». Вып. 7.
«Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы утилизации и захоронения отходов». - М.: ГЕОС, 2005. - С. 229232.
5. Кедровский О.Л., Чесноков С.А., Фридкин В.М., Кокосадзе А.Э. и др. Инженерно-экологические и конструктивнотехнологические проблемы создания инженерных барьеров при долговременном хранении и окончательном захоронении отработавшего ядерного топлива в недрах Земли // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 4. - М.: Издательство МГГУ, 2005. - 350 с. - С. 88-94.
6. Кедровский О.Л., Чесноков С.А., Фридкин В. М. Инженерные барьеры повышенной надежности для захоронения отработавшего ядерного топлива в недрах Земли // Экологическая экспертиза: ВИНИТИ РАН, 2005. - № 4. - С. 70-96.
7. Кедровский О.Л., Чесноков С.А., Фридкин В.М., Малькова О.В. Современные аспекты подземной изоляции высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива // Наука и технология в промышленности. - № 3, 2005. - С. 5261.
8. Фридкин В.М., Чесноков С.А., Носарев А.В., Кузьменко И.М., Карманова О.В., Кокосадзе А.Э. Новые возможности создания инженерных сооружений для обеспечения экологической и антитерро-ристической безопасности промышленной утилизации некоторых видов технической продукции / Доклад на Международном научно-техническом конгрессе «Безопасность - основа устойчивого развития регионов и мегаполисов». - Москва, октябрь-ноябрь 2005г. / Доклады. - М.: ООО «Научно-издательский центр Инженер», 2005. - 623 с. - С.57-61.
9. Кедровский О.Л., Фридкин В.М.,
Чесноков С.А., Кокосадзе А.Э. Горноэкологические и конструктивно-технологические аспекты создания международных хранилищ радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива в недрах Замли // Подземное пространство мира. - № 6, 2005. - С. 3-8.
10. Патент РФ на изобретение RU
2181406 C2 МПК 7, Е 01D 12/00, Е 04 С 2/24; Заявка № 97121947/03
(023564). Композитный несущий элемент строительных конструкций / Могилевский Машиностроительный институт (Республика Беларусь); В.М. Фридкин; А.В. Носарев (RU); И.М. Кузменко, С.К. Павлюк, А.В. Семенов, А.В. Семенов, В.А. Поп-ковский, А.А. Филатенков (BY). Опуб. 20.04.2002; бюл. № 11. - 6 с.
11. Фридкин Б.М. Принципы формообразования в теории линейно-протяженных сооружений. - М.: Издательство «Ладья», 2006. - 512 с.ЕШЗ
— Коротко об авторах
Чесноков С.А. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник- консультант, ЗАО «Институт Оргэнергострой»,
Кокосадзе А.Э. - заместитель генерального директора ЗАО «Институт Оргэнергост-рой»,
Фридкин В.М. - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, доцент МИИТ, Малькова О.В. - ведущий инженер, МИИТ,
Писарев И.Л. - инженер, Тоннельная Ассоциация России.
Статья рекомендована к опубликованию семинаром № 10 симпозиума «Неделя горняка-2007. Рецензент д-р техн. наук, проф. Е.А. Ельчанинов.
