Технические решения и конструкции подземных сооружений для изоляции радиоактивных отходов.

Технические решения и конструкции подземных сооружений для изоляции радиоактивных отходов.

Международный опыт проектирования подземных хранилищ радиоактивных отходов. Основные принципы и варианты компоновки подземных модулей хранилища.

Технические решения и конструкции сооружений для захоронения РАО.

Рассмотрим более подробно некоторые примеры технических решений и конструкций хранилищ в соответствии с основными принципами изоляции РАО от биосферы.

Приповерхностное захоронение в траншеях.

На предыдущей лекции мы говорили о том, что наиболее известным, простым и дешевым способом захоронения РАО является метод, состоящий в непосредственном захоронении непереработанных твердых отходов в пройденных траншеях или карьерах и засыпкой отходов слоем грунта. Данная концепция, которая в настоящее время применяется на практике в ряде стран, является наиболее пригодной для захоронения отходов очень низкого уровня активности.

Наряду с объектом Barnwell (Южная Каролина, США), который упоминался нами ранее, примером простого способа захоронения НАО является и хранилище Vaalputs (Южная Африка). В этом хранилище длинные и широкие траншеи (глубиной около 8 метров) после размещения в них отходов засыпаются несколькими слоями спрессованной глины и покрываются песком и растительностью. В качестве иллюстрации на рис. 1 показаны некоторые стадии эксплуатационного периода, включая заполнение, засыпку и закрытие хранилища.

Геологическое захоронение.

Как мы уже отмечали, геологическое захоронение РАО подразумевает размещение хранилищ (могильников) на глубине, по крайней мере, несколько сотен метров. Для такого способа захоронения в мировой практике рассматриваются различные типы хранилищ, предполагающих использование специально создаваемых подземных сооружений и отработанных рудников. Для иллюстрации современных тенденций в строительство геологических хранилищ ограничимся несколькими примерами: хранилище хранилища WIPP (США), проект «Конрад» по захоронению РАО в Германии и концептуальные проекты геологического захоронения высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива.

Хранилище WIPP (Waste Isolation Pilot Plant) является единственным в мире действующим объектом геологического захоронения РАО. Подземные работы по созданию хранилища были начаты в 1981 г. и продолжались в течение 1980-х годов. Четыре вертикальные шахты обеспечивают доступ к подземному комплексу и вентиляцию подземных сооружений, предназначенных для захоронения трансурановых отходов. Подземный комплекс, расположенный на глубине примерно 655 м и построенный к 1988 г., состоит из 56 больших камер длиной около 90 м, шириной 10 м и высотой около 4 м, каждая (рис. 9). Наземный комплекс хранилища включает здание по обращению с отходами, где поставляемые контейнеры с отходами должны быть разгружены, проведена инвентаризация отходов и выполнены работы по подготовке отходов к захоронению. Кроме того, на поверхности располагаются медицинская лаборатория, здание фильтров вытяжной системы вентиляции, аварийные электрические генераторы и административное здание. Хранилище располагает собственным пожарным подразделением, службой медицинского обслуживания

и горноспасательной службой.

Первый могильник в Германии создается на базе заброшенной железорудной шахты Конрад (на время принятия решения о строительстве могильника ФРГ еще не была объединена с ГДР, которая к тому времени располагала хранилищем в Морслебене). Он предназначен для окончательного захоронения нетепловыделяющих отходов низкого и среднего уровня активности. Шахта Конрад – новейшая из всех выработанных железорудных месторождений Германии. Она была сооружена для разработки пласта железистых оолитов толщиной 40 м, который сверху покрыт породами каменноугольного периода, состоящими, в основном, из глинистых минералов общей толщиной несколько сот метров. Это обстоятельство, а также крайне низкая влажность в галереях и приемлемые механические характеристики горных пород стали главными факторами, оказавшими влияние на решение преобразовать шахту Конрад в могильник для РАО.

В шахте Конрад имеется два вертикальных ствола диаметром 7 м, доходящие до глубины 1000 и 1200 м, соответственно (рис. 10). В соответствии с национальными требованиями безопасности, эти шахтные ствола будут иметь различное назначение.

Ствол №1 предназначается для транспортировки персонала, подачи свежего воздуха в галереи и подъема породы, вынимаемой при сооружении новых подземных камер; ствол №2 – для транспортировки упаковок с отходами и вытяжки воздуха из подземных выработок. Эти стволы разделены расстоянием примерно 1,5 км, что обусловлено профилем местности и условиями, сложившимися при эксплуатации железорудной шахты в прошлом.

Принятый принцип разделения грузопотоков способствовал тому, что в комплексе наземных сооружений удается резко сократить зону потенциально возможных загрязнений за счет концентрации всех «чистых» операций в районе ствола №1.

Камеры-штольни для складирования и окончательного захоронения упаковок с РАО имеют длину до 1000 м и сечение около 40 м² (высота 6 м, ширина 7 м). Подземные сооружения, предназначенные для захоронения РАО, расположены на четырех горизонтах (рис. 9): 800-850 м; 1000-1100 м; 1100-120 м; 1200-1300 м. Для транспортировки будут использованы пробитые ранее галереи высотой 4,5 м как горизонтальные, так и с уклоном (типа пандуса). В связи с этим для могильника Конрад разработаны дизельные автопогрузчики специальной конструкции, которые перевозят упаковки в компактной конфигурации, перемещают их вдоль и поперек камеры и размещают в три яруса. После загрузки упаковок в выработку, оставшееся пространство вокруг контура сложенных в три яруса упаковок с РАО, которое составляет около 40% всего объема выработки, будет заполнено адсорбентом-заполнителем. Эту операцию осуществляют при помощи специального укладчика, оснащенного защитной кабиной, бункером и выдвижной стрелой с гидравлической подачей адсорбента (рис. 11). Заполнение необходимо для снижения свободного воздушного пространства, при этом не ставится цель герметизировать сложенные контейнеры.

Заполненную штольню намечено изолировать от транспортной галереи и основной вентиляционной системы с помощью забивки оставленного свободного участка штольни (около 25 м) ранее вынутой породой.

Наряду с рассмотренными основными положениями, на которых базируется проект могильника Конрад, следует отметить, что старые камеры закрытой шахты не будут использоваться для захоронения РАО. Заброшенные подземные выработки шахты позволяют соорудить новые шурфы и камеры емкостью около 1 млн. м³, что достаточно для захоронения радиоактивных отходов в течение 40 лет с сохранением 50%-го резерва.

Несколько иные конструктивные решения положены в основу концептуальных проектов подземных могильников для захоронения высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) в геологических формациях.

В определенной степени традиционными можно признать инженерно-технические решения, которые нашли наиболее широкое распространение в проектных разработках различных стран, планирующих прямое захоронение ОЯТ. В этих разработках контейнеры с ОЯТ планируется размещать в скважинах большого диаметра (до 2400 мм). При этом в каждой скважине может размещаться от одного до трех контейнеров. Так, например, в финском концептуальном проекте хранилища ОЯТ комплекс подземных сооружений, расположенный на глубине 500 м в скальных породах, представляет собой систему горизонтальных вспомогательных выработок пролетом 3,3 м и высотой 4,5 м, предназначенных для выполнения транспортно-технологических операций на стадии заполнения (эксплуатации) хранилища. С подошвы этих выработок проходятся специальные скважины диаметром 1,5 м и глубиной 7,5 м (рис. 12), которые предназначены для размещения упаковок с отработавшим топливом (по одной упаковке в скважине).

Аналогичная по инженерно-техническим решениям концепция разрабатывается в Швеции для геологического захоронения отработавшего ядерного топлива и долгоживущих РАО различного уровня активности и типа, к которым, в частности, относятся и наиболее радиотоксичные материалы от демонтажа реакторных установок шведских АЭС.

В концептуальном проекте японского подземного могильника скважинного типа для захоронения высокоактивных отходов от переработки отработавшего ядерного топлива ширина и высота сечения горизонтальных выработок одинаковы и составляют 3,5 м. Остеклованные отходы помещаются в цилиндрические стальные контейнеры диаметром около 400 мм и высотой примерно 1400 мм, которые размещаются в скважинах диаметром 800 мм и глубиной 4000 мм. Минимальная вместимость могильника составляет 10000 контейнеров, но разрабатываемый проект предполагает возможность расширения вместимости могильника до 20000-40000 контейнеров. В соответствии с проектом подземные выработки для захоронения отходов должны располагаться на глубине около 1000 м. В японском проекте расстояние между центрами параллельно располагаемых горизонтальных выработок составляет три поперечных размера этих выработок (10,5 м), т.е. толщина целика между выработками соответствует удвоенному пролету горизонтальных выработок.

После размещения контейнеров в могильнике пространство в скважинах между каждым контейнером и вмещающим массивом заполняется уплотненным бентонитом. Толщина такого барьера в различных проектах варьируется от 250 до 760 мм в радиальном направлении и до 1 м вдоль оси скважины. Примерно 1,5 м в верхней части скважин и вспомогательные горизонтальные выработки после завершения эксплуатационного периода заполняются смесью бентонита и измельченной породы (см. рис. 12).

Таким образом, краткий обзор практики проектирования могильников для окончательного подземного захоронения радиоактивных материалов позволяет выделить некоторые общие принципы конструктивно-компоновочных решений:

- отходы низкого и среднего уровня активности, как правило, размещаются в горизонтальных выработках сечением от 25 до 300 м² и длиной до 1000 м;

- компоновка выработок для НАО и САО варьируется в зависимости от уровня активности, радионуклидного состава отходов и массогабаритных параметров контейнеров с отходами;

- для размещения отходов высокого уровня активности (включая ОЯТ) и некоторых видов САО (тепловыделяющие или со значительным содержанием долгоживущих радионуклидов) могут быть использованы как специальные инженерные сооружения (вертикальные выработки диаметром до 30 м и скважины диаметром до 2,5 м), так и горизонтальные выработки. В проектах таких могильников, как правило, предусматривается применение закладочных материалов, обладающих высокими изолирующими свойствами (например, на основе бентонитовых глин).

Таблица 1

Классификация контейнеров, направляемых на окончательное захоронение

Категория контейнеров	Мощность дозы на поверхности контейнера	Способ обращения с контейнерами	Защита
I	менее 10 мбэр/ч	Контактное обращение	Не требуется защита
II	10 мбэр/ч - 200 мбэр/ч	Дистанционное обращение	Не требуется защита
200 мбэр/ч -1000 мбэр/ч	Дистанционное обращение	Коллективная защита при транспортировке отходов
III	более1000 мбэр/ч	Дистанционное обращение	Индивидуальная защита при транспортировке отходов

В соответствии с принятой классификацией были определены объемы кондиционированных отходов, которые по оценкам могут быть накоплены на различных объектах региона к 2020 г. Обобщенные данные по объемам отходов, которые должны быть направлены на окончательное захоронение, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Расчетные объемы отходов для концептуального проекта

Источник отходов	Категория контейнерв	Всего
I	II	III
Кольская АЭС	-	69710м3	575м3	70285 м3
ММП	12700 м3	5230 м3	-	17930 м3
Северный флот	14430 м3	10210м3	5145м3	29785 м3
Прочие	19680 м3	19190 м3	-	38870 м3
Итого	46810 м3	104340 м3	5720 м3	156870 м3

Могильник РАО представлен комплексом вскрывающих выработок, транспортных галерей и модулей для размещения упаковок с радиоактивными отходами, пройденных в устойчивых скальных породах буровзрывным способом преимущественно с применением контурного взрывания. Доступ в подземный могильник осуществляется по уклону или стволу. Для варианта захоронения на глубине около 100 м уклон представляет собой наиболее простой, дешевый и удобный вид главной выработки доступа. Вспомогательная выработка доступа необходима в качестве аварийного выхода. Для этой цели предлагается сооружение вертикального ствола, который также используется для выдачи исходящей вентиляционной струи.

Размеры шахтного поля в плане при кольцевом расположении модулей и фланговой схеме вскрытия составляют приблизительно 650×650 м. Общий объем вынимаемой горной массы около 800 тыс. м³ , что позволяет разместить около 160 тыс. м³ пакетированных радиоактивных отходов. На рис. 14 представлен следующий состав подземных объектов:

- участок захоронения, состоящий из нескольких горизонтальных выработок для отходов контактного (CH) и дистанционного (RH) обращения, а также вертикального силоса для отходов дистанционного обращения с более высокими уровнями гамма-излучения;

- участок приемки, необходимый для осуществления контроля загрязненности упаковок с отходами и транспортных средств;

- площадка обслуживания, включающая в себя пульт управления объектом, служебные помещения, мастерские техобслуживания, силовые подстанции, дробильно-бетонный цех, насосную камеру, склад ВВ и т.д.

Модули, предназначенные для захоронения отходов контактного обращения (CH), состоят из больших горизонтальных выработок, пройденных в скальных породах. Для размещения бетонных контейнеров, штабелируемых в несколько уровней, размеры выработок составляют примерно 100 м в длину, 10 в ширину и 9 м в высоту.

Для металлических контейнеров, размещаемых горизонтально послойно, выработки такой же длины имеют ширину 15 м и высоту 18 м. Аналогичные выработки, используются для захоронения отходов дистанционного обращения (RH).

После размещения отходов промежутки между упаковками с отходами засыпаются гравием (в случае бетонных контейнеров) или заливаются бетоном (в случае металлических контейнеров.

Модуль, предназначенный для захоронения отходов дистанционного обращения с мощностью дозы на поверхности упаковок более 1000 мбэр/час, представляет собой вертикальную выработку диаметром 21 м и высотой 51 м, создаваемую в породном массиве со встроенной бетонной конструкцией типа силос. Пространство между силосом и породным массивом заполняется закладочным материалом (например, бентонитом) для формирования дополнительного защитного барьера с целью предотвращения инфильтрации воды в силос и сведения к минимуму высвобождение радионуклидов из могильника. Силос разделяется на отдельные небольшие вертикальные шахты, имеющие квадратное или круглое сечение, соответствующее форме упаковок с отходами. Все шахты разделены бетонными стенами. После размещения отходов промежутки между упаковками засыпаются гравием или заливаются бетоном.

В качестве примера, на рис. 15 приведена компоновка и способ размещения отходов дистанционного обращения в горизонтальных выработках.

Основные технико-экономические характеристики проекта, полученные на основании выполненных расчетов с учетом действующих расценок и курса валют на 01.01.1999 г., следующие:

· расчетный объем хранения, м3	- 156870
· объем подземных сооружений могильника, м3	- 869630
· стоимость захоронения РАО с учетом наземной и подземной транспортно-технологической инфраструктуры, млн. руб. млн. долл. США	- 4180 - 203
· стоимость захоронения 1 м3 отходов, руб. долл. США	- 26650 - 1290

Литература.

1. Мельников Н.Н., Конухин. В.П., Комлев В.Н. Подземное захоронение радиоактивных отходов. – Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1994.

2. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А., Амосов П.В., Гусак С.А., Наумов А.В., Радиогеэкологические аспекты безопасности подземного захоронения радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива на европейском Севере России. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2001.

3. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А., Амосов П.В., Гусак С.А., Наумов А.В., Катков Ю.Р. Отработавшее ядерное топливо судовых энергетических установок на европейском Севере России. В 2-х частях. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2003.

4. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А., Амосов П.В., Гусак С.А., Наумов А.В., Инновационные проекты подземных объектов долговременного хранения и захоронения ядерных и радиационно-опасных материалов в геологических формациях европейского Севера России. – Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2005.

5. Лопатин В.В. Справка по опытно-промышленному объекту для подземной изоляции РАО на архипелаге Новая Земля. – Москва, 2001.

6. Павлидис Ю.А., Айбулатов Н.А., Ионин А.С. и др. Краткосрочный (на 100 лет) прогноз развития прибрежно-шельфовых областей в мировом океане. – Вестник РФФИ, 1998, №1 (11), с. 16-23.

7. Radioactive waste management: An IAEA source book. – Vienna: IAEA, 1992.

Технические решения и конструкции подземных сооружений для изоляции радиоактивных отходов.

Международный опыт проектирования подземных хранилищ радиоактивных отходов. Основные принципы и варианты компоновки подземных модулей хранилища.