Комплексные исследования для обоснования площадок размещения подземного хранилища РАО.
Основные этапы и характеристика исследований. Изыскания при выборе перспективных площадок. Исследования элементов технологии захоронения радиоактивных отходов.
В качестве главных принципов реализации таких сложных технических проектов, какими являются проекты подземных могильников радиоактивных отходов (РАО), в международной практике признана глубокая техническая и научная обоснованность, а также доказуемость безопасности принимаемых решений, доступность к результатам таких обоснований технической и научной общественности, пропаганда исследований среди широких слоев населения.
В настоящей лекции на основе существующей мировой практики будут рассмотрены последовательность и качественные характеристики необходимого комплекса исследований при решении проблемы надежной изоляции радиоактивных отходов путем их подземного захоронения.
Основные этапы и общая характеристика исследований.
Современная международная практика в области подземного захоронения РАО позволяет выделить шесть основных этапов научных исследований, непосредственно связанных с решением этой проблемы.
Этап 1 отвечает подготовительной стадии, когда на основе уже имеющихся разработок и дополнительных исследований выполняется предварительное обоснование возможности сооружения подземных комплексов для изоляции РАО.
Этап 2 связан с поиском благоприятных геологических участков с учетом необходимых требований к ним.
Основные методические подходы, которые могут быть использованы на этих этапах, были рассмотрены нами на предыдущей лекции.
На этапе 3 на отобранных участках проводятся геофизические и буровые геологические исследования. На этой стадии в геофизических исследованиях может быть использовано большое разнообразие методов, включая магнитные, электромагнитные, электрические, сейсмические и гравитационные методы, которые относятся к поверхностным методам геофизических исследований. На основе результатов поверхностных исследований планируются исследования с помощью исследовательских скважин. Программа бурения включает количество, глубину, пространственное размещение скважин, которые существенно зависят от размеров и типа могильника, а также от типа породы и геологических условий конкретной площадки. Успешный результат исследования площадки, с точки зрения определения требуемых параметров, сильно зависит от условий и эффективности подготовки программы бурения.
Этап 4 направлен на оценку качества многобарьерной системы могильника РАО, которая является одной из главных задач всех программ научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) по проблеме подземной изоляции отходов. Эта оценка представляет собой комплекс многопрофильных исследований и включает не только определение свойств инженерных барьеров и вмещающих пород, но и лабораторные эксперименты по воспроизведению и моделированию отдельных процессов и их воздействия во времени на барьеры могильника. Для этих целей используются специальные подземные исследовательские лаборатории, деятельность которых сосредоточена на усовершенствовании методологии характеризации потенциальных площадок, оценки природных и инженерных барьеров, а также оптимизации методов строительства и демонстрации возможности эксплуатации хранилища.
Необходимость создания подземных лабораторий объясняется тем, что свойства горного массива (физико-механические свойства, реология, структура, влажность, проницаемость, напряженное состояние, теплофизические свойства и др.), даже если слагающие его горные породы имеют один и тот же тип, с переходом от участка к участку могут изменяться в очень широком диапазоне. Специфической особенностью исследований горно-геологических и горно-физических процессов применительно к подземному захоронению РАО является достаточно высокая неопределенность данных, характеризующих параметры природной среды, что обусловлено ее неповторимостью, изменчивостью и многообразием неоднородностей, отсутствием данных о процессах, протекающих в конкретной сложной системе «отходы – инженерные барьеры – геологическая среда». Поэтому нельзя достаточно квалифицированно судить о надежности принимаемых решений на основании установленных общих закономерностей и параметров системы.
Окончательным критерием, подтверждающим обоснованность надежности разрабатываемых технических решений по изоляции РАО в геологических формациях, должны явиться результаты исследований среды и протекающих в ней процессов в натурных условиях. Такие данные могут быть получены только в итоге выполнения соответствующей программы научно-исследовательских работ в специально создаваемых подземных лабораториях на участках предполагаемого строительства могильников. Только создание таких лабораторий и выполнение в них конкретной комплексной программы исследований по участку могут дать объективную, всестороннюю оценку участка и конкретного геологического блока в отношении их пригодности для надежности захоронения отходов и служить надежной основой для научно-технической и общественной экспертизы и обоснования предлагаемых решений.
Кроме того, создание подземных лабораторий, выполнение в них исследовательских работ, организация демонстрационных размещений реальных РАО являются необходимым и важным фактором целенаправленной научно-технической политики и методов работы с местными органами власти, общественными организациями и населением с целью доказательства надежности и безопасности мер по изоляции отходов и сохранению окружающей среды.
Поэтому, несмотря на значительные затраты на сооружение подземных лабораторий (до сотен миллионов долларов), количество таких лабораторий достаточно велико (см. табл.) и ведется строительство новых.
Исследовательские программы подземных лабораторий учитывают назначение последних: одни лаборатории существуют только как исследовательские центры, другие могут быть впоследствии преобразованы в могильники РАО. К первому типу относятся, например, подземные лаборатории в Канаде, Швеции, Швейцарии (в Гримзеле) и строящиеся лаборатории в Японии. Исследования в этих подземных лабораториях сосредоточены на разработке технологий характеризации пород, разработке моделей и испытаний различных процессов, влияющих на герметичность могильника, а также на демонстрации методологии его строительства и эксплуатации. Целью этих работ является изучение всех этапов процесса захоронения в реальной среде.
Второй тип подземных лабораторий предусматривает строительство могильника (хранилища) на площадке лаборатории или вблизи нее. В этих лабораториях осуществляются проекты по имитации полномасштабного хранения ОЯТ и РАО, в том числе тепловые испытания. Примерами исследований, связанных с характеризацией подземной зоны самой потенциальной площадки могильника на базе построенной лаборатории, являются проекты в Бельгии и США (Юкка-Маунтин), а также исследования в лаборатории ONKALO (Финляндия).
Анализ научно-исследовательских программ, реализуемых в зарубежных подземных лабораториях, позволяет выделить следующие основные вопросы, подлежащие изучению в таких лабораториях:
Таблица
Подземные исследовательские лаборатории для выполнения программы НИОКР по проблеме подземного захоронения РАО
Страна | Местонахождение | Тип породы, глубина размещения | Годы эксплуатации |
Бельгия | Вблизи Центра ядерных исследований в Моле | Пластичная глина, 225 м | |
Германия | Ассе | Соляной купол, 875 м | 1977-1995 |
Горлебен | Соляной купол, 840 м | 1977 (в настоящее время работы прекращены) | |
Конрад | Оолитовый известняк с залежами железных руд, 800-1300 м | ||
Канада | Вблизи Центра ядерных исследований в Уайтшелле | Гранит, 250 м | |
США | Невадский испытательный полигон | Гранит | 1978-1983 |
Невадский испытательный полигон | Туф | 1978-1990 | |
Карлсбад, шт. Нью-Мексико | Соляные пласты, 650 м | ||
Горный массив Юкка-Маунтин | Туф, 305 м | ||
Горный массив Юкка-Маунтин | Туф | ||
Финляндия | Олкилуото | Гранит, 70-100 м | |
Округ Еурайоки, вблизи АЭС «Олкилуото» (ONKALO) | Гранит, 420-520 м | Начало строительства в 2004 г. | |
Франция | Фаней | Гранит | 1980-1990 |
Амели | Соляные пласты | 1986-1994 | |
Турнемир | Сланцеватая глина | ||
Кантон Бюре | Глина, 500 м | Ведется строительство | |
Швейцария | Гримзель, Альпы | Гранит | |
Монт Терри, кантон Юра | Сланцеватая глина, 300 м | ||
Швеция | Стрипа | Гранит | 1976-1992 |
о. Эспе | Гранит, 500 м | ||
Япония | Вблизи Геологического научного центра в Тоно | Песчаник | |
Камаиси | Гранит, 300 м, 700 м | 1988-1998 | |
Мицунами | Гранит, 1000 м | 2009 (проходка шахтного ствола начата в 2002 г.) | |
Вблизи г. Хоронобе на о. Хоккайдо | Осадочная порода, 500 м | 2010 (проходка шахтного ствола должна была начаться в 2005 г.) |
- получение исчерпывающих данных о геологическом строении массива и гидрогеологических процессах в нем;
- исследование тепловых, механических, сорбционных и других свойств вмещающих пород;
- исследование влияния технологических нагрузок (тепловое, радиационное и химическое воздействие) на изменение свойств и состояния пород и массива;
- определение качественных и количественных характеристик процессов в массиве пород и инженерных барьерах под действием технологических нагрузок;
- исследование изолирующей способности различных материалов и конструкций инженерных барьеров;
- исследование распространения радионуклидов на выбранном участке горного массива при захоронении реальных отходов;
- исследование поведения и устойчивости в реальных условиях форм твердых (отвержденных) отходов и их упаковок;
- исследование и оценка качества средств и способов контроля за процессами в массиве пород;
- исследование способов сооружения, крепления и изоляции горных выработок;
- исследование способов и методов защиты персонала от облучения при размещении отходов;
- исследование техники и технологии обращения с отходами и их изоляции в реальных подземных условиях.
Важно подчеркнуть долговременность исследований, а также существования и функционирования подземной лаборатории вплоть до закрытия (консервации) соответствующего могильника.
Этапы 5 и 6 научных исследований по проблеме подземного захоронения РАО связаны с уточнением принимаемых решений в процессе эксплуатации и консервации могильников.
В результате исследований, прежде всего на этапах 1-4, формируется комплексная модель такой сложной, многофакторной геотехнической системы, каковой является система объектов, средств и способов подземного захоронения РАО. Комплексная модель включает в себя:
1. Модели природных условий:
- гидрогеологическую модель района строительства;
- гидрогеологическую модель участка могильника;
- геомеханическую модель участка;
- геохимическую модель участка;
- геолого-техническую модель участка.
2. Модели процессов захоронения:
- модель размещения отходов;
- миграционную модель;
- теплофизическую модель;
- модель контроля за состоянием недр.
3. Эколого-экономическую модель.
Основные направления исследований всех этапов, имеющие непосредственное отношение к ключевым вопросам – месту и технологии захоронения РАО, сводятся к следующему:
- комплексное геологическое изучение региона предполагаемой площадки;
- комплексное геологическое изучение площадки и массива с поверхности, в том числе посредством бурения;
- инженерно-геологическое изучение массива с помощью рекогносцировочных горных выработок и подземной лаборатории;
- изучение физико-химических процессов взаимодействия радионуклидов с природными и искусственными материалами;
- лабораторные и натурные исследования буферных материалов;
- комплексные исследования новых горных технологий;
- «холодные» и «горячие» натурные испытания всех технических средств и технологических процессов, необходимых для эксплуатации могильника;
- общая оценка безопасности.
Даже краткий перечень основных направлений исследований говорит о комплексном их характере. Обобщая все эти направления, можно выделить две крупные основные задачи, на решение которых направлены исследования по обоснованию надежности предлагаемой системы захоронения РАО: изыскания при выборе площадок и исследование элементов технологии захоронения.