Практика научных исследований по проблеме создания технологий подземного захоронения РАО показывает необходимость проведения значительного объема комплексных натурных наблюдений не только в отношении площадки и массива пород как одного из защитных барьеров, но и по отношению к мультибарьерной системе в целом, а также к общему комплексу работ и технических средств.
Оборудование, конструкции выработок, различные элементы инженерных барьеров и технологические приемы работ испытываются путем полномасштабных экспериментов в конкретных горно-геологических условиях, либо полностью воспроизводящих условия будущего могильника, либо имитирующих их с максимальной степенью достоверности.
Как отмечалось ранее, во многих странах для изучения поведения всех компонентов системы хранилища, отработки различных технологических операций созданы подземные экспериментальные лаборатории.
Ведущим международным центром в данной области может считаться лаборатория HRL (Hard Rock Laboratory) компании SKB на о. Эспе в Швеции, в программе НИОКР которой принимают участие более 20 стран. Доступ в подземную лабораторию на о. Эспе обеспечивает туннель, проложенный с площадки АЭС «Оскарсхами» до глубины 220 м в гранитной породе и далее по спирали радиусом 150 м до глубины размещения лаборатории (примерно 500 м). В этой лаборатории компания SKB планировала построить шесть исследовательских камер, где образцы двустенных медно-стальных контейнеров, разработанных для хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), должны находиться при температуре до 900 оС, создаваемой с помощью электронагревателей.
В лаборатории проводят полевые испытания, предусматривающие оценку многолетнего воздействия на внешнюю медную стенку контейнера атмосферы подземной лаборатории и грунтовых вод различного состава. Испытания в реальных условиях будут дополнены лабораторными исследованиями анаэробной коррозии меди в воде с высоким содержанием солей. Кроме того, запланированы исследования коррозии меди в уплотненном бентоните, используемом в качестве буферного материала, окружающего контейнер, а также исследования по электрохимической защите медных образцов.
Совместно с Канадой проводится изучение в лабораторных и реальных условиях коррозионное растрескивание меди под напряжением и электрохимической защиты. Эти исследования предполагается дополнить расчетами изменения во времени напряжений в материале контейнера с ОЯТ после их размещения в хранилище.
В этой лаборатории продолжаются лабораторные эксперименты и полевые испытания по изучению микробной коррозии меди. Важно установить, будут ли бактерии, существующие в естественных условиях в грунтовой воде и бентоните, выживать в хранилище и восстанавливать сульфаты до сульфидов в количествах, угрожающих целостности контейнера.
Кроме того, в лаборатории HRL проводят исследования термогидромеханической эволюции бентонита в реальных условиях и на моделях. Закладочные материалы исследованы в меньшей степени, чем другие компоненты многобарьерной системы хранилища, в частности из-за того, что их состав в концепции удаления ОЯТ окончательно не определен. Различные составы закладочного материала (смектитовые глины в смеси с дробленой породой в разных соотношениях) будут испытаны в лаборатории HRL в условиях до и после их насыщения водой.
Что касается исследований влияния теплового воздействия на материал из засыпки и вмещающую породу, то самыми крупными из проводившихся в мире стали испытания по имитации воздействия тепла на соляную породу, в частности на уплотненную дробленую соляную породу, которую предполагается использовать для засыпки штреков с отходами в немецком могильнике. В этих испытаниях, проводившихся в Германии в подземной лаборатории Ассе (бывшая соляная шахта), нагреватели в шести макетах контейнеров для ОЯТ были размещены в двух параллельных штреках (см. рис. 3).
Электрическая мощность нагревателей составляла 6 кВт, что соответствует количеству тепла, которое могут выделять 4 тонны ОЯТ реактора водо-водяного типа.
Следует отметить особенности создания выработок для размещения подземных лабораторий. В массиве или типе пород, который надлежит изучить в качестве места размещения будущего могильника и по отношению к которому должны быть отработаны щадящие приемы горнопроходческих работ, проходят либо полностью новый комплекс выработок (например, подземная лаборатория «Уайтшелл» в Канаде), либо используют в качестве подходных существующие горные выработки, из которых в нужные природные массивы при особых способах ведения работ проходят исследовательские выработки («Гримзель» в Швейцарии, «Стрипа» в Швеции).
Несмотря на определенное отставание, к этапу работ в подземных лабораториях подошла и Россия. В целях детального изучения конкретного горного массива и его поведения при технологических нагрузках (вскрытие горными выработками, тепло, радиация и т.п.), а также для проверки т отработки технологических процессов и операций предложена конструкция подземной лаборатории, сооружаемой в массиве порфиритов на промплощадке ПО «Маяк». Такая лаборатория позволит провести опыты с любыми отвержденными и твердыми РАО, а также опробовать герметизирующие материалы (глина, бетон, цемент, полимеры и т.д.). Предполагаемая глубина заложения лаборатории составляет 600 м, объем околоствольных и соединительных выработок – 6-8 тыс. м3, объем экспериментальных камер – около 4 тыс. м3. Предполагаемый срок строительства наземного и подземного комплекса в целом – до 6 лет.
Вторую отечественную подземную лабораторию планировалось создать на Кольском полуострове. Однако соответствующие площадка и тип пород для этой лаборатории пока не определены.
В заключении кратко остановимся на программе изысканий на потенциальных площадках для размещения могильника РАО на Кольском полуострове.
Краткая характеристика программы исследований по обоснованию выбора площадки для размещения могильника РАО на европейском Севере России.
На предыдущей лекции мы рассмотрели основные методические подходы и результаты исследований по предварительному выбору площадок для размещения подземного могильника РАО на Кольском полуострове, которые были выполнены в рамках международного проекта специалистами Горного института КНЦ РАН совместно с российскими и зарубежными партнерами. Эти исследования, с одной стороны, позволили выделить перспективные площадки, по совокупности факторов наиболее подходящие для подземного захоронения РАО, образующихся на атомно-энергетических объектах и обслуживающей их инфраструктуры в регионе европейского Севера России (Мурманская и Архангельская области). С другой стороны, выявленные в ходе исследований недостатки в информационном обеспечении, показали необходимость разработки сбалансированной программы дальнейших действий по обоснованию площадки могильника.
Необходимые изыскания на потенциальных площадках.
Основной целью исследований на площадке является получение надежной и исчерпывающей информации о геологическом строении массива, его тектоники, структуре и гидрогеологических процессах в нем. На основании этой информации строятся адекватные модели: литолого-тектоническая, гидрогеологическая, геомеханическая. Для достижения этих целей используется весь арсенал современных геологических, геофизических, гидрогеологических и геомеханических методов исследования геологической среды.
Размеры площадки, необходимой для размещения регионального могильника РАО, составляют около 2×2 км. Чтобы найти такой участок с оптимальными параметрами, необходимо в перспективных районах исследовать участки с размерами не менее 10×10 км. В связи с этим, исследования на площадке выполняются в 2 стадии:
Стадия 1 (предварительные исследования) имеет своей целью в каждой перспективной области площадью около 100 км2 найти участок необходимых размеров с благоприятными геолого-тектоническими, гидрогеологическими и геомеханическими условиями;
Стадия 2 (детальные исследования на площадках) должна окончательно подтвердить пригодность выбранной площадки для размещения на ней хранилища РАО.
Характерные особенности геологической структуры региона определили особую природу исследований, которые должны будут проводиться в перспективных регионах и на соответствующих площадках.
Главными задачами исследований Стадии 1 являются:
· выявление основных видов пород и описание их изменчивости;
· определение геометрии магматических и/или метаморфических структур;
· качественное и количественное описание системы трещин в различном масштабе;
· определение гидрогеомеханических условий, определение и описание основных водоносных горизонтов.
Главной задачей исследований Стадии 2 является подтверждение данных по выбранному геологическому блоку (площадь которого, по крайней мере, составляет 2×2 км), которые получены при проведении исследований Стадии 1, и дополнения их новой информацией. Эти данные будут использоваться для построения пространственной геолого-тектонической, гидрогеологической и геомеханической моделей блока.
Программа предварительных исследований начинается с анализа имеющихся фондовых и опубликованных материалов по геологии, тектонике и гидрогеологии района площадки для уточнения объема имеющейся информации и определения задач и объемов первоочередных исследований.
Затем на территории площадью около 100 км2 проводится геологическое картирование и изучение структуры с целью уточнения основных элементов геологического и тектонического строения площадки для планирования профилей геофизических исследований. Для этого проводится 4 - 5 пешеходных маршрутов вкрест простирания основных геологических и тектонических структур.
Для уточнения основных литологических, тектонических и гидрогеологических характеристик территории проводят профильные геофизические исследования, определяемые геологической обстановкой с использованием портативной аппаратуры.
На основе анализа полученных материалов уточняются контуры основных геологических и тектонических структур, гидрогеологические характеристики. В наиболее контрастных участках бурят 4 - 5 скважин глубиной до 500 м с отбором керна и проб грунтовых вод. Такими участками являются:
- центральная часть структурного блока;
- границы структурного блока;
- участки с нечеткими контурами основных структур и водоносных горизонтов.
В скважинах проводят гидрогеологические исследования, главным образом определяют объем водопритоков и величину напора грунтовых вод. Для уточнения литологического разреза выполняют гамма-каротаж[1] и гамма-гамма-каротаж[2]. Для оценки вида напряженного состояния пород в массиве (является ли оно гравитационным или гравитационно-тектоническим) выполняют кавернометрию скважин. На образцах горных пород определяют параметры физико-механических свойств основных типов горных пород: плотность, прочность при сжатии и растяжении, модуль упругости и коэффициент Пуассона.
Геохимические исследования проводятся с целью измерения базовой геохимии воды и пород в пределах потенциального объема хранилища. Это особенно важно при оценке воздействия деятельности человека на окружающую среду с начала исследований или с начала промышленной деятельности человека. Геохимические данные также требуются в геохимическом моделировании или при планировании соответствующих лабораторных экспериментов, которые моделируют процессы (растворимость и сорбция), влияющие на движение радионуклидов как в ближнем, так и в дальнем поле (геосфере). Кроме того, немаловажное значение исследований заключается в содействии в разработке концептуальной модели потока подземных вод сквозь зоны потенциального хранилища и окружающих территорий. Гидрохимический и изотопный состав воды, растворенные виды и газы (называемые также геохимией флюидов) дают информацию о: происхождении вод и возраста их и растворов, расположение участков водопритока и истечения, а также потенциальных обменов с более глубокими формациями, присутствие стоячей или циркулирующей воды и тип ее переноса (адвекцией или диффузией). Поэтому геохимия флюида может наложить ограничения на бесчисленные гидравлические модели, созданные только на основе пьезометрических измерений. Наконец, геохимия может быть использована для исследования эволюции системы подземных вод во времени и то, как она могла бы реагировать на такие внешние изменения как климат.
Данные геохимических исследований позволяют дать оценку способности геологической среды удерживать радионуклиды.
Стадия 2 включает следующие восемь фазовых программ:
1. Анализ и интерпретация материалов ранее выполненных геолого-геофизических исследований в районе площадки.
2. Наземные исследования.
3. Бурение скважин.
4. Геофизические исследования в скважинах.
5. Гидрогеологические и гидрохимические исследования.
6. Лабораторные определения минералогических, геохимических и геомеханических свойств пород.
7. Оценка напряженного состояния пород.
8. Оценка метеорологических условий.
Предварительная оценка стоимости исследований показала, что затраты на реализацию программы исследований Стадии 1 составляют примерно 2,3 млн. ЕВРО, Стадии 2 – 3,2 млн ЕВРО.
Необходимые исследования в подземной лаборатории.
В дополнение к осуществлению программы наземных исследований, для принятия конкретных технологических решений по изоляции РАО в подземных модулях необходимы детальные и достоверные сведения о конкретном массиве горных пород, в котором будет расположен подземный могильник РАО.
Для разработки программы соответствующих подземных испытаний, включены следующие позиции:
- обзор данных по программам подземных испытаний, относящихся к размещению РАО;
- предварительный концептуальный проект подземных исследовательских выработок, связанных с проектом хранилища;
- определение целей программы исследований, с учетом типов отходов, предназначающихся к захранению, и имеющихся сведений о площадке.
Исследования в подземной лаборатории непосредственно на площадке размещения поземного могильника РАО проводятся в три фазы, соответствующие периодам создания лаборатории и ее эксплуатации:
Фаза 1. Подготовительные работы;
Фаза 2. Горнопроходческие работы и сопровождающие исследования;
Фаза 3. Стационарные исследования.
Общая стоимость исследований, включая проходку выработок, по предварительным оценкам составляет 21 млн. ЕВРО, однако, большая часть этих затрат, связанных с горно-капитальными работами, может быть одновременно отнесена к стоимости строительства подземного комплекса могильника в целом.
Литература.
1. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Комлев В.Н. Подземное захоронение радиоактивных отходов. – Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 1994.
2. Соколова И.Д., Шульга Н.А. Разработка и реализация технологий окончательного захоронения высокоактивных и долгоживущих отходов. Ч.1. Подземные исследовательские лаборатории. – Атомная техника за рубежом, 2004, №5, с. 12-19.
3. Techniques for site investigations for underground disposal of radioactive wastes. Technical reports series №256. – Vienna: IAEA, 1985.
[1] Гамма-каротаж – метод измерения природной радиоактивности формации, является полезным для литологической идентификации и стратиграфической корреляции.
[2] Гамма-гамма-каротаж – метод, используемый для записи интенсивности гамма-излучения радиоактивных источников в зонде после обратного рассеяния и поглощения излучения внутри скважины и вмещающих породах.