АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ЗАХОРОНЕНИЮ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Есенаманова М., Калиева А.

В статье дан анализ по основным способам захоронения твердых радиоактивных отходов в мировой практике, где основным методом является захоронение отходов в специально оборудованных инженерно-геологических хранилищах.

К незахороненным радиоактивным отходам следует относиться как к открытым источникам излучений, так как на местах их собирают и упаковывают в не вполне герметичную тару. При такой упаковке в период временного хранения и транспортирования отходов радиоактивные вещества при неправильном обращении с транспортным оборудованием могут выделяться в окружающую среду.

Окончательное удаление РАО должно осуществляться путем захоронения их в геологические формации. Цель захоронения состоит в безопасной изоляции кондиционированных РАО от человека и окружающей природной среды в течение всего времени сохранения отходами потенциальной опасности.

Для окончательного захоронения радиоактивных отходов используются специально оборудованные могильники. Идеально удовлетворяют требованиям по расположению таких могильников районы с толстыми пластами каменной соли. Возможно использование также гранитных, гейсовых и базальтовых формаций, а также глиняных пластов. Могильник состоит из шахт, штреков и помещений на глубине не менее 600 м /1, 2/.

В современном мире ликвидация отходов с низким и средним уровнями радиоактивности (ОНСУР) осуществляется методом их захоронения, которое варьируется от приповерхностных хранилищ до специально оборудованных инженерных геологических хранилищ. В странах — членах МАГАТЭ существует уже более ста таких захоронений, некоторые из них еще продолжают принимать отходы, а более 42 находятся на различных стадиях разработки и строительства /1/.

В мире существует несколько типов хранилищ для ОНСУР /7, 8/. Приблизительно 62% из них - это инженерные приповерхностные хранилища (ИППХ), расположенные на глубине порядка 10 м, 18% - простые приповерхностные хранилища (ПППХ), 7% - пустоты от горных выработок (ПГВ) и 4% - геологические хранилища (ГХ). Тип хранилища и его устройство в конечном счете определяются спецификой самих отходов, характером площадки, государственной стратегией в этой области, а также социальными и экономическими факторами.

При выборе ПППХ учитывается наличие слоя глины или низкое количество осадков. Система захоронения состоит из рвов с небольшим уклоном для стока воды в дренажную канавку. Канавка оканчивается накопительным отстойником, за которым ведется постоянный контроль. Контейнеры с РАО устанавливаются на дно рва друг на друга. Отходы с высоким уровнем активности заливаются бетоном или битумом. Пространство между контейнерами заполняется сухой землей, поверх которой накатывается слой глины и производится грунтовая засыпка.

В ИППХ вместо рвов используются специальные камеры. Контейнеры размещаются в камерах с помощью вилочного погрузчика. Камеры расположены на уровне земли или ниже и состоят из бетонных стен и основания с расположенным под ним дренажным слоем. Образующиеся стоки направляются в очистительное сооружение, а затем сбрасываются.

Хранилища в ПГВ - это геологические пустоты (длиной 50-100 м), используемые в качестве хранилищ РАО. В качестве закладного материала используется мелкодробная вынутая горная порода, а основные зоны разлома, содержащие воду, закрываются бетонными заглушками.

ГХ представляют собой хранилища для отходов со средней и низкой активностью в геологических структурах. Отходы со средним уровнем активности захораниваются в большой каверне, которая экранируется слоями закладочного материала. Отходы с низкой активностью штабелируются в копаных камерах.

Конечной стадией обращения с отходами является захоронение отвержденных отходов в геологические формации. С этой целью изучают пригодность различных геологических формаций для создания в них хранилищ, обосновывают тепловую и радиационную нагрузки на породу, определяют требования к геологическим участкам, пригодным для захоронения. В качестве основных защитных барьеров при захоронении в геологические формации рассматривают отвержденные отходы с прочно закрепленными радионуклидами и геологическую среду. Материалы оболочки контейнера, в котором находятся отходы, и конструкционные материалы инженерных сооружений не могут обеспечить достаточно надежной зашиты окружающей среды от проникновения радионуклидов, особенно долгоживущих. Качество защиты зависит от физико-химических свойств отходов и проницаемости массива окружающих пород.

Структура и свойства остеклованных отходов зависят от состава отходов и флюса, температуры и продолжительности выдержки расплава, скорости охлаждения стеклоблока и условий хранения. Так, для фосфатных стеклоподобных материалов формирование структуры при 950°С не завершается в течение 2 ч. Показано, что с увеличением продолжительности выдержки расплава формируется стеклорасплав с энергетически более выгодной структурой. Наименее выгодной скоростью охлаждения стеклоблока для фосфатных стекол является 1,7 - 2,0 °С/мин, при которой наблюдается предкристаллизационный период, характеризующийся появлением отдельных кристаллических включений и ухудшением водоустойчивости материала. Более медленное охлаждение приводит к полной кристаллизации с выделением фаз, характерных для стабильных, химически устойчивых материалов.

При захоронении в глубокие полупроницаемые геологические формации в гидротермальных условиях (наличие влаги, повышенные температура и давление) поведение различных форм отвержденных отходов различно. Так, при повышении температуры до 100°С и более увеличивается скорость выщелачивания для боросиликатных материалов в 100 раз, для фосфатных в 1000 раз, для ряда минералоподобных материалов в 10 раз. При этом отмечено необратимое нарушение алюмофосфатного каркаса для фосфатных материалов, в результате чего скорость выщелачивания радионуклидов при длительном хранении и уменьшении температуры за счет радиоактивного распада остается такой же, как в гидротермальных условиях. Для боросиликатных и минералоподобных материалов нарушения каркаса не наблюдается и при снижении температуры скорость выщелачивания уменьшается до первоначальных значений. Увеличение давления в изученном интервале (до 5 МПа) при температуре ниже 100°С не влияет на скорость выщелачивания.

Таким образом, для захоронения в глубокие геологические формации из исследованных материалов наиболее устойчивы боросиликатные стеклоподобные и еще более устойчивы минералоподобные материалы.

Альтернативой подземным хранилищам радиоактивных отходов является их захоронение на дне морей и океанов. Исследования в этом направлении были начаты в 1949г. Еще недавно некоторые европейские страны практиковали этот метод захоронения радиоактивных отходов. Однако в настоящее время МАГАТЭ в рамках программы исследований по предотвращению загрязнений морских и океанских акваторий установило, что подобный метод нельзя использовать для захоронения высокоактивных отходов /3, 4/.

Имеются также три основные концепции проектов хранилищ для окончательного удаления высокоактивных и среднеактивных отходов:

• система туннелей шахтной проходки на глубине 200-1000 м; контейнеры размешаются в скважинах в полу туннеля. Скважины могут располагаться и в стенах туннелей наклонно или горизонтально. Вариант с горизонтальными скважинами (длина до 200 м, вместимость до 55 контейнеров) имеет в четыре раза ниже себестоимость, чем с вертикальными. В последнем случае нижние контейнеры испытывают дополнительную нагрузку, что требует применения более дорогих материалов;

• размещение контейнеров с РАО непосредственно в туннелях;

• размещение контейнеров непосредственно в скважинах на поверхности. Недостатком является ограничение для проведения исследований внутренней структуры формации /5/.

Одним из наиболее подходящих вариантов размещения РАО в настоящее время является их размещение в соляных залежах. В качестве примера такого размещения ниже приводится описание соляного месторождения Горлебен.

Вместимость существующих промежуточных хранилищ достаточна для хранения всех РАО до середины 90х. В дополнение к исследованиям бывшего соляного рудника Ассе и соляно-купольных структур Горлебен, которые будут описаны ниже, выполненным с целью оценки использования этих структур для размещения в них хранилища РАО, в период с 1972 по 1986г. были проведены, с такой же целью, инженерно-изыскательские и исследовательские работы на отработанном железном руднике Конрад. Как только будет возможно Федеральное правительство планирует начать эксплуатацию шахты Конрад, бывшей угольно-рудной шахты в Зайцгиттере (Ниж. Саксония) в качестве хранилища РАО с незначительным тепловыделением.

Для планирования и строительства проектов хранилища, можно применить результаты и опыт работы, полученные на щахте Ассе, бывшей соляной шахты близ Волльфенбуттель (Ниж. Саксония), начиная с 1967 г., в результате проводимых разработок и испытания технологий, а также обширных научных исследований. В рамках данных программ, Научно-исследователтьский центр по защите окружающей среды и здоровья (Forschungszen-trum fur Umwelt und Gesundheit, GSF) разместил примерно 125000 барабанов с мало интенсивными отходами и около 1300 барабанов со средне-активными отходами.

Оходы среднего уровня активности также хранятся в руднике Ассе, упакованными в герметичные канистры емкостью 200 л каждая. Из-за высокой активности, около 10^;"Бк на одну канистру, и, соответственно, большой, порядка 10~Грэй/час, мощности дозы на поверхности канистры, они перевозятся от места упаковки к месту хранения в специальных защитных контейнерах.

В хранилище, канистры с РАО через вертикальную шахту, опускались с помощью специального устройства из технологического помещения в камеру хранения. Канистры в камере размещались на полу, навалом. Пол камеры устроен на глубине 511 м от дневной поверхности. Высота камеры составляет около 15 м. Технологическое помещение отделено от камеры слоем породы толщиной 6 м /6/.

В хранилище Ассе применялась также технология хранения гранулированных РАО средней и низкой активности без предварительной их упаковки в бочки или канистры. В этом случае гранулирование отходов производилось на месте их образования. Гранулы размером 0,3-5мм, в защитных контейнерах перевозились в хранилище. На поверхности была смонтирована установка, в которой гранулы смешивались с цементной смесью. Для приготовления цементной смеси использовались ЖРО (вода) с активностью до 5,5-10¹²Бк/м³.

Грануло-цементная смесь по специальному трубопроводу, через вертикальную шахту подавалась в камеру хранения, и укладывалась ровным слоем на полу камеры. После затвердевания предыдущего слоя, продолжительность которого составляла около 70 дней,поверх него укладывался последующий слой грануло-цементной смеси. Камера была устроена в слое соли на глубине 1000 м от дневной поверхности и имела объем 75000м³.

Захоронения твердых радиоактивных отходов требует создания условий, которые способствовали бы соблюдения их гермитичности для предотвращения их воздействия на окружающую среду. Это возможно при их хранений в устройствах, называемых хранилищами отходов и во всем мире создание хранилищ в геологических формациях являются наиболее эффективными.

Список литературы

1. Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века, 2000.

2. Алексеенко В.А., Иванов А.Б. Геологические и гидрологические аспекты проблемы захоронения жидких радиоактивных отходов в ПО "Маяк" // III Междунар. симпоз. "Урал атомный: наука, промышленность, жизнь". 4.11. Екатеринбург, 1995 . С. 16-19.

3. Учебно-методическое руководство по радиоэкологии и обращению с радиоактивными отходами для условий Казахстана. Алматы, 2002. 304с.

4. Краснов Е. В., Кусакин О.Г. Будущее Охотского моря. Хабаров, кн. изд-во, 1979.136с.

5. Горлова Е.К., Битков В.Н. Удаление радиоактивных отходов на дно океана // Бюл. ЦОИ по АЭ. 1994. N2. С. 14-19.

6. Блике X. Атомная энергия и окружающая среда // Бюл. ЦОИ по АЭ. 1994. N1. С. 43-47.