Тепловое воздействие на вмещающие породы.
Тепловое воздействие в ближней зоне могильника обусловлено тепловыделениями отходов вследствие радиоактивного распада содержащихся в них радионуклидов. Тепловыделение является важной характеристикой высокоактивных РАО и отработавшего ядерного топлива, но оно также может быть значительным и для некоторых видов отходов среднего уровня активности. В первые несколько сотен лет тепловыделения отходов определяется радионуклидами, которые являются бета- и гамма-излучателями. После этого периода тепло генерируется в основном в результате распада альфа-излучателей. Поскольку для отработавшего ядерного топлива характерно высокое содержание таких радионуклидов, его долговременное тепловыделение будет более значительным по сравнению с высокоактивными отходами. Таким образом, тепловыделение в могильнике зависит от времени выдержки отходов, которое определяет уровень активности и содержание радионуклидов в РАО на момент их захоронения в могильнике.
Под влиянием тепловыделения отходов будет формироваться температурное поле, которое характеризуется распределением температур в самих отходах и содержащих их контейнерах, буферных и закладочных материалах, конструкциях могильника и во вмещающей породе.
Соляные формации. Тепловые эффекты на эти породы могут быть разделены на два вида: влияние на породообразующий минерал и влияние на вторичные и акцессорные минералы, а также воду и газы, адсорбированные на границе минералов или на включениях.
Одним из характерных свойств солей является снижение теплопроводности при повышении температуры. Так, например, при температуре окружающей среды коэффициент теплопроводности соли составляет 5,5 Вт/(м·град), а при температуре 200 оС – 3 Вт/(м·град).
Природная соль может содержать до 0,5 % рассола (рапы). Это практически не снижает надежности захоронения среднеактивных отходов, но может вызвать осложнения при захоронении ВАО. В неоднородном температурном поле происходит миграция жидких включений в сторону источника тепла (отходов), что приводит к накоплению раствора соли в полости могильника и при повышенном давлении и температуре может существенно увеличить скорость коррозии контейнеров и выщелачивания[3] радионуклидов. Кроме того, при нагреве увеличивается растворимость соли и возможно ее плавление. Отмеченные недостатки определяют необходимость ограничения температуры при захоронении РАО в соляных формациях. Считается, что температура стенки емкости с отходами не должна превышать 200 оС.
Кристаллические породы. Граниты и подобные им кристаллические породы, которые пригодны для захоронения РАО, являются массивными телами с закрытой системой трещинообразований на глубине. Если теплогенерирующие отходы будут размещены в этих породах, то основным эффектом будет тепловое расширение породы вследствие неоднородности температурного поля, которое инициирует термомеханические эффекты, рассматриваемые ниже. Кроме того, нагрев кристаллических пород может снижать вязкость и плотность свободной (пористой) воды и повышать гидравлическая проводимость некоторых трещин, инициируя, таким образом, конвективное движение воды. Для исключения негативных процессов считается целесообразным ограничение температуры внутренней поверхности вмещающей скальной породы до 100-110 оС, при которой влияние теплового фактора на механические свойства породы незначительно и практически исключается парообразование.
Глинистые породы. Тепловые эффекты отходов на глины пока еще изучены недостаточно в полевых (натурных) исследованиях, выполненных на представительных глубинах. В предварительных концепциях эти трудности преодолевались предположениями о консервативном повышении температуры во вмещающей породе до уровня, при котором уменьшаются любые возможные эффекты, т. е. предполагая захоронение старых (выдержанных) отходов с низким тепловыделением. С другой стороны, имеются данные о нагреве глин в условиях лабораторий или обжига глин для производства глиняных изделий, кирпича и др.
Различные глинистые минералы реагируют по разному при воздействии повышенных температур. Потеря поровой (свободной) воды начинается практически мгновенно. В действительности потеря воды в глинах начинается, как только они размещаются на воздухе. Некоторые глинистые минералы, например, смектиты[4] (включая бентонит) содержат межслойную воду в ограниченных количествах, которая удаляется только при повышении температуры. Потеря такой воды начинается при температуре порядка 80 оС. Структурная вода удаляется при значительно более высокой температуре. В процессе нагрева отмечаются структурные изменения, при которых, например, смектиты трансформируются смешанные слоистые минералы и иногда в иллит[5].
Если температура глины в условиях могильника ограничивается 100 оС, то можно ожидать проявление эффектов, связанных только с тепловым расширением пустотных жидкостей и твердых частиц, образующих матрицу породы. Если температура будет значительно превышать 100 оС, тогда может происходить испарение воды, сопровождающееся повышением давления в поровом пространстве. Кроме того, при температуре выше 100 оС существует возможность гидротермических реакций, связанных с минералогическими и физико-химическими изменениями.
Туфы. При повышении температуры таких пород как туфы важно понять поведение воды в трещинной пористости, поскольку потоки воды оказывают влияние на тепловые свойства породного массива и формирование температурного профиля. Это особенно справедливо для могильника, расположенного в ненасыщенной зоне (выше уровня грунтовых вод), где возможно присутствие относительно большого количества воды (насыщение приблизительно до 80%), но режим кипения существенно определяется атмосферными условиями. В этом случае нагрев вызывает значительное повышение давление паро-водной смеси с потенциальным высушиванием большой доли породы, окружающей отходы.
Поток водяного пара определяется тепловым потоком и гидравлическими свойствами породы (проницаемостью трещин и матрицы как функции содержания воды). Даже в случае отсутствия тепла существует потенциал для значительного отвода воды из породы просто вследствие высушивания, вызванного системой вентиляции могильника.
В случае, когда скважины, содержащие отходы, являются «открытыми», нагретый водяной пар выводится из породы системой вентиляции или пар конденсируется и движется вдоль трещин в направлении от источника тепла. В результате формируется объем сухой породы, окружающей скважины с отходами и имеющий более низкую теплопроводность. Это подтверждается полевыми исследованиями, проведенными в ненасыщенном, спекшемся туфе.
Если скважины запечатаны (заполненным закладочным материалом), то под действием градиента давления пар выходит радиально от источника тепла в породу, где он конденсируется при температуре ниже 100 оС. Это приводит к значительному повышению уровня насыщения в породе, окружающей скважины с отходами (в некоторых случаях достигающего 100%), и повышению «эффективной» теплопроводности породы в течение этого периода.
Термомеханические эффекты.
Нагрев окружающих материалов вследствие радиоактивного распада радионуклидов, содержащихся в отходах, начнется, как только отходы будут размещены в могильнике. Предполагается, что нагрев вызывает тепловое расширение вмещающей породы, приводящее к термическим напряжениям в породе в ближней зоне могильника. В создаваемом могильнике порода уже подвергается статическим напряжениями и возможно тектоническим напряжениям, на которые будут накладываться термические напряжения. Эффект изменения напряженного состояния будет зависеть от распределения отходов и компоновочной схемы могильника, мощности тепловыделения отходов и физических характеристик вмещающей породы.
Соляные формации. Повышение температуры вследствие размещения, например, высокоактивных отходов приводит расширению и ослаблению соляной породы в непосредственной близости от упаковок с отходами, индуцируя, таким образом, как напряжения и деформации в самой соляной породе, так и давление на упаковки с отходами.
Поведение соляных пород под воздействием термомеханических нагрузках формируется под влиянием неоднородностей в соли (например, слоев ангидрита). Полевые исследования реакции соляной породы в ответ на нагрев проводятся в нескольких странах. Так, например, в соляной шахте Lions (Project Salt Vault, США) для этих целей использовались как электрические нагреватели, так и отработавшее ядерное топливо. В соляной шахте Asse (Германия) проводилась серия тестов, при которых электрические нагреватели устанавливались в скважинах. Эти исследования показали, что в условиях повышенной температуры и пластичности в течение трех месяцев закрывались зазоры в 5 см в скважинах. Измеренное давление на скважину, вызванное нагревом в диапазоне от 190 до 310 оС, составляло 36 ± 5 МПа. Более интенсивные изменения, как результат теплового расширения и повышенной пластичности, наблюдались в галереях и камерах.
Кристаллические породы. Термомеханические эффекты на скальные породы, такие как граниты, исследовались в полевых условиях на ряде площадок. Шахта Stripa в Швеции использовалась для оценки и разработки методов измерения эффектов в ближней зоне наряду с другими параметрами, необходимыми для оценки площадок могильника. Аналогичные исследования проводились и проводятся в США, Великобритании, Франции, Аргентине и др. странах. В ряде исследований экспериментальные данные позволили подтвердить результаты теоретических исследований, использующих различные математические модели. Кратко рассмотрим некоторые результаты этих исследований.
При температуре свыше 100 оС фазовый переход вода – пар не оказывает существенного влияния на теплоперенос в гранитных породах. Наблюдались достаточно малые сдвиги, связанные с тепловым расширением породы (порядка одного или двух мм на расстоянии нескольких метров от источника тепла). Показано, что перемещения в трещиноватых гранитах, вызванные нагревом являются достаточно малыми, не линейными и пока еще не предсказуемы.
Напряжения и изменения напряжений в гранитных породах на глубине являются важными в проблеме экскавации выработок и в оценках их стабильности. Измерения, проведенные в шахте Stripa в вертикальных скважинах до глубины 400 м, показали, что вертикальные напряжения примерно равны статическому давлению покрывающих пород, но главные горизонтальные напряжения в несколько раз больше. Измерения подземных напряжений отражают эффекты экскавации старой шахты и экспериментальных штреков. В целом термомеханические эффекты, измеренные на этой шахте либо находились в согласии, либо были меньше тех, которые предсказывались современными теоретическими исследованиями. При этом не была установлена взаимосвязь между термомеханическими эффектами и гидравлической проводимостью. Эксперименты говорят о том, что трещины скорее закрываются, чем открываются. Однако это может зависеть от геометрии. Природа взаимосвязи между термомеханическими эффектами и гидрогеологии является важным фактором, на изучение которого направлены программы научно-исследовательских работ, которые планируется проводить в условиях подземных лабораторий.
В США были проведены исследования по определению степени нарушений во вмещающей породе вокруг подземной выработки. Хотя изменения в напряжениях и повреждений во вмещающей породе трудно поддавались измерениям, которые, тем не менее, позволили установить нарушенную зону в породе, расширяющуюся на толщину около одного метра от контура выработки с измененной проницаемостью.
Глинистые породы. Исследования термомеханического поведения глин в условиях могильника находятся в начальной стадии. Первые экспериментальные результаты показали, что повышение температуры от 10 до 80 оС не оказывает влияния на проницаемость.
При строительстве могильника в глинах может возникнуть некоторые горнотехнические проблемы, поскольку глины проявляют пластичность и могут потребовать соответствующего крепления в галереях.
Эксперименты непосредственно на площадке могильника для исследования поведения глубоких глин при температурном диапазоне от температуры окружающей среды до несколько выше 100 оС планируется проводить в Бельгии и Италии.
Туфы. Оценка термомеханической реакции туфа ограничена предварительными компьютерными расчетами, в которых использовались исходные данные, полученные в лабораторных условиях. Очень ограниченная информация была получена в американских исследованиях In Situ Tuff Water Migration / Heater Experiment. Расчеты для спекшегося туфа, выше и ниже уровня грунтовых вод, показывают, что деформации вокруг скважин или выработок с отходами, обусловленные экскавацией и тепловым воздействием, концентрировались в основном в результате перемещений вдоль уже существующих трещин. Ни один из расчетов не предсказал нового трещинообразования в нетронутой породе при любом времени жизни могильника. Кроме того, толщина породы вокруг выработок, при которой рассчитывались перемещения вдоль уже существующих трещин, составляла только несколько метров, т.е. в пределах способности крепления с помощью арматурной сетки и анкеров. Рассчитанные фактора безопасности для целиков были выше, изменяясь в диапазоне от 1,5 вблизи контура выработки до, в некоторых случаях, более чем 10 в середине целика.
В рассматриваемых исследованиях измерители давления, установленные на расстоянии примерно 1 м от нагревателя, зарегистрировал напряжения примерно на 60% ниже тех, которые предсказывались компьютерными моделями. Обследование поверхностей нагретого шпура не показали никакого дополнительного трещинообразования или отслоения в породе, которая нагревалась до температуры примерно 240 оС.