Основные этапы и общая характеристика исследований.

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

- 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.