В международной практике исследованиям по выбору площадки для захоронения РАО придается очень большое значение и процент выделения средств на эти работы составляет существенную часть стоимости проекта в целом.
Например, при строительстве могильника РАО вблизи города Форсмарк в Швеции на геологические и гидрогеологические исследования было затрачено около 20 млн. шведских крон, несмотря на то, что район размещения площадки достаточно хорошо был исследован раньше.
Соизмеримость затрат на исследования площадки с затратами на строительство могильника можно проиллюстрировать на примере укрупненной структуры стоимости работ по могильнику Горлебен в Германии, которая оценивалась следующим образом (млн. марок ФРГ):
| исследования выбранного участка с поверхности исследования выбранного участка подземными методами, включая опытное затопление двух штреков сооружение могильника всего | - 185; - 944; - 1511; - 2640. |
Роль, которая отводится исследованиям по выбору площадок, иллюстрирует последовательность и продолжительность различных этапов швейцарской программы НИОКР по захоронению РАО. Эту программу планировалось выполнить в четыре этапа:
| 1980-1990 гг. 1990-1995 гг. 1995-2005 гг. 2005-2020 гг. | - региональные исследования и выбор участков, потенциально пригодных для создания могильника (за это время число возможных площадок сокращено со 100 до 20); - дальнейшее изучение выбранных участков и окончательное решение о месте сооружения могильника (к 1991 г. в числе приоритетных было оставлено 7 площадок, в том числе Гримзель); - детальное исследование выбранного участка с сооружением экспериментальной подземной лаборатории; - строительство и подготовка могильника к приему РАО на окончательное захоронение. |
Предполагается, что собственными силами будут проведены исследования геофизической, гидрогеологической и неотектонической программ, наряду с 50-ю университетами и институтами и 200-ми научно-исследовательскими лабораториями из восьми стран.
Как уже отмечалось ранее, при изучении площадок широко применяются различные методы, в том числе с бурением скважин, геофизические, геологические и радиохимические исследования общего назначения, используемые на стадии инженерно-геологических изысканий в связи со строительством разных подземных комплексов или радиационно-опасных объектов.
Так, например, строительство могильника РАО вблизи АЭС «Форсмарк» в Швеции включало следующие детальные исследования:
- места расположения и ориентации зон трещиноватости;
- скорости фильтрации подземных вод в массиве и их градиента;
- физико-механических свойств пород.
Через специально пробуренные скважины определяли величину естественных напряжений в массиве, проводили гидрогеологические исследования и картирование пород. Было извлечено и изучено 900 м керна. Для набора дополнительной информации и проверки модели массива, созданной на основе ранее полученных результатов, уже в процессе проходки выработок проводилось картирование пород, исследование структуры массива и поведения грунтовых вод.
Насколько важны детальные гидрогеологические натурные исследования на конкретной площадке, показывают примеры геологоразведочных работ немецких специалистов. Так, при оценке скального массива для размещения радиационно-опасных объектов была пробурена система скважин, расположенных друг от друга на разном расстоянии, не превышающем 100 м (рис. 1). В центральную скважину 1 дифференцированно по отметкам глубины и при разных режимах набора и поддержания пластового давления во времени закачивали меченную индикаторами воду. Также дифференцированно по стволам других скважин контролировали динамику поступления в них индикаторов. Оказалось, что данный скальный массив объемно резко неоднороден в разных направлениях по проницаемости. Скважины, пробуренные на одинаковом расстоянии от центральной, но в разных участках массива (даже на расстоянии около 16 м), проявили неодинаковую гидравлическую связь со скважиной 1 (от полной изолированности до практически ничем не осложненного свободного водообмена) как по горизонтали, так и по другим направлениям. Выполненные натурные исследования привели к выводу о необходимости использования дополнительных инженерных сооружений для надежной локализации радионуклидов в данном скальном массиве.
На площадке Ханфорд (США), где происходит сбор и захоронение высокоактивных РАО после получения ядерных материалов для оборонных целей, было замечено, что радионуклиды стронция, цезия и плутония при попадании в грунт задерживаются им в конкретных условиях площадки. Радионуклиды трития, технеция и йода более подвижны. Они проходят через слой грунта и попадают в подземные воды, с которыми они достигают р. Колумбия.
Многие страны стараются максимально использовать возможности существующих подземных лабораторий.
Интересен опыт Швеции в организации исследовательских проектов. В пределах гранитного массива шахта на глубине 350 м была дополнена исследовательскими выработками и переоборудована в подземную лабораторию «Стрипа». Впоследствии лаборатория стала международной с участием в ее работе европейских стран (Финляндии, Великобритании, Швеции), а также Канады США и Японии. В ней отрабатывают новые технологические схемы и методы ведения горно-строительных работ, выполняют обширный комплекс геофизических, геотехнических, гидрогеологических и геохимических исследований, включающий, наряду с традиционными, новые методы изучения петрофизических и геомеханических характеристик пород, поведения буферных материалов, дистанционного выявления зон трещиноватости, проводят испытания новой контрольно-измерительной аппаратуры, оборудования и т.п.
Осуществляемый Министерством энергетики США проект Юкка-Маунтин подразделяется на две фазы: строительство и эксплуатация подземной испытательной лаборатории (ESF), а затем сооружение федерального подземного хранилища. ESF включает два туннеля, сооруженных на глубине примерно 300 м: один (основной) длиной 7,9 км (построен в апреле 1997 г.), другой – 2,8 км. Основной испытательный туннель диаметром 7,6 м имеет петлеобразную форму, обеспечивающую два наклонных входа (северный и южный) в лабораторию с поверхности. Вдоль этого туннеля расположены испытательные ниши (альковы) для изучения структуры разломов породы массива и проведения тепловых испытаний для оценки воздействия на окружающую породу тепловыделения крупных упаковок с ОЯТ.
При проведении (с 1998 г.) в основном туннеле ESF полномасштабных долговременных тепловых испытаний были использованы многочисленные датчики, регистрировавшие тепловые, механические, гидравлические и химические изменения в породе. При этих испытаниях осуществлялся искусственный нагрев до 250 оС породы, окружавшей горизонтальный испытательный штрек длиной примерно 50 м и диаметром около 5 м, заполненный упаковками с имитаторами отходов. Общая выходная мощность нагревателей – имитаторов отходов составляла 280 кВт, что достаточно для нагрева более чем 200 тыс. м3 породы в течение более четырех лет.
Исследования, проводимые во втором туннеле ESF, пересекающем основной туннель, позволили получить горного массива в трехмерном измерении, более тщательно изучить структуру и свойства несущего слоя массива и спрогнозировать структурные характеристики породы, включая образование разломов. Для снижения неопределенности в прогнозировании миграции радионуклидов из зоны хранилища была проведена серия гидрологических испытаний (с использованием нерадиоактивных изотопных индикаторов) на подземной установке (в туннеле длиной около 67 м), сооруженной в 1998 г. внутри небольшой возвышенности примерно в 5 км от ESF.
Кроме досконального изучения массива в реальном времени стараются выполнить долговременный прогноз для площадок по ряду факторов. Так, например, для условий Канадского щита и площадки вблизи Онтарио в начале 1990-х гг. были завершены по такому прогнозу тектонических и сейсмических процессов, в том числе на основе данных о происходивших в прошлом геологических событиях. В частности, анализ циклов оледенения показал, что даже при наступлении оледенения над местом захоронения РАО исключаются какие-либо негативные последствия. По прогнозам эрозия, которая определяется приповерхностными процессами, не будет распространяться на предполагаемую глубину захоронения отходов.
В обобщенном виде методы исследований при выборе и обосновании площадки проиллюстрируем на примере шведской исследовательской программы. Схематично основные этапы этой программы показаны на рис. 2. Остановимся на отдельных блоках этой схемы.
Поверхностные исследования (позиции 1-2 на рис. 2). Первый этап состоит в том, чтобы выполнить основное обследование большой площади. Космические фотографии и измерения с самолетов обеспечивают приблизительную, но достаточно хорошую картину изменчивости типов пород и позволяют обозначить расположение зон больших разломов. Также выполняются измерения с поверхности для того, чтобы получить более детальную картину вмещающей породы.
  |
На основе этой информации создаются упрощенные модели породы на глубине, модельные представления о формировании и движении подземных вод, например, где вода поступает во вмещающую породу и где она покидает ее.
Исследования с помощью разведочных скважин (позиции 3-4 на рис. 2). Для уточнения моделей пробуривается ряд скважин. Вынимаемые керны показывают типы пород вдоль скважины, а также трещины и их ориентацию в пространстве. Зоны трещиноватости изучаются более детально, например, с помощью небольших телекамер, которые опускаются в скважины.
Величина напора и химия подземных вод измеряется в скважинах, используя специальные уплотнители для изоляции различных слоев с разными свойствами. Затем измерительная аппаратура соединяется с каждой секцией для измерения уровня воды и солесодержания с интервалом в несколько часов на протяжении года. Скважины также позволяют получить информацию по гидравлической проводимости породы.
Собранные данные могут быть использованы для прогноза структуры подземных вод, которая может изменяться при сооружении выработок.
Исследования в туннелях (позиции 5–6 на рис. 2). Последний этап включает «вскрытие» породы, когда строится подземная установка. На этом этапе можно понять, были ли правильно интерпретированы полученные ранее результаты, и какие методы являются наиболее подходящими для исследования вмещающей породы.
Это делается с помощью картирования породы. Геологи получают образцы подземных вод, изучают зоны трещиноватости и т.п. Изменения в породе вокруг скважин также сравниваются с предварительных результатами расчетов, выполненных до строительства подземной установки. Информация собирается в графической компьютерной системе (CAD) для того, чтобы облегчить дальнейшие исследования. В процессе исследований в туннелях проводятся также другие тесты и эксперименты в дополнение к ежедневно собираемым данным. Различные исследования обеспечивают получение более детальной картины породы. На основе этих знаний может быть спланирована хорошо сбалансированная программа исследований для площадки, где подземный могильник РАО в конце концов будет построен.