Продолжительный масштаб времени, в течение которого некоторые из отходов остаются радиоактивными, привел к идее глубокого захоронения РАО в подземных хранилищах, размещаемых в стабильных геологических формациях. Изоляция обеспечивается комбинацией инженерных и естественных барьеров (скальная порода, соль, глина), при этом никаких обязательств по активному обслуживанию такого захоронения не передается будущим поколениям. Этот метод часто называют многобарьерной концепцией с учетом того, что упаковка отходов, инженерное оборудование хранилища и сама геологическая среда – все это обеспечивает барьеры по предотвращению достижения радионуклидами людей и окружающей среды.
Хранилище включает в себя пройденные в горных породах выработки, в которых размещаются упакованные отходы. В некоторых случаях (например, влажная горная порода) пространство между упаковками с отходами заполняется материалами типа цемента или глины (обычно бентонит), чтобы обеспечить дополнительный барьер (называемый буфером и/или закладкой). Выбор материалов для упаковок с отходами, а также выбор проекта и материалов для буфера/закладки изменяется в зависимости от типа отходов, которые направляемых на захоронение, и от типа вмещающих пород.
Ведение проходческих и земляных работ при сооружении глубокого подземного хранилища, использующих стандартную технологию горных работ или гражданского строительства, ограничено доступными для этого местами (например, под участком суши или под прибрежной зоной), блоками горной породы, являющиеся достаточно стабильными и не содержащими большого потока грунтовых вод, и глубинами между 250 и 1000 метров. При глубине более 1000 метров, выемка грунта становится в большей степени технически трудной и, соответственно, более затратной.
Поскольку геологическое захоронение обеспечивает изоляцию отходов от человека в течение длительного времени (десятки или сотни тысяч лет) и в силу его более высокой стоимости по сравнению с приповерхностными могильниками, такой способ захоронения в большинстве стран часто ограничивается применением для высокоактивных и альфа-содержащих отходов (высокого уровня активности).
Зачем нужно геологическое захоронение отходов?
Поверхностное захоронение указанных выше отходов было отвергнуто, потому что срок эксплуатации любой конструкции могильника, из которых он мог бы быть построен, значительно короче времени жизни долгоживущих радионуклидов. Более того, это только отсрочило бы проблемы обслуживания и мониторинга могильника на будущее с риском того, что будущие поколения не будут иметь ни материальных средств, ни технической возможности для решения этих проблем.
Поскольку целью захоронения РАО является изоляция радионуклидов в течение длительного времени, требуется среда с изоляционными характеристиками, которые изменяются медленно. Глубокие геологические формации отвечают обоим этим критериям.
В этом контексте под «глубокими» понимаются глубины, по крайней мере, в несколько сотен метров по сравнению с несколькими десятками метров подземных могильников для низко- и среднеактивных отходов.
Несмотря на то, что свойства геологической среды обычно являются превалирующими факторами в обеспечении долговременной безопасности в таких системах захоронения радиоактивных отходов, дополнительные барьеры также могут играть определенную роль в общей безопасности системы. В этой системе геологическая среда играет двойную роль: она обеспечивает защиту в отношении источника загрязнения и она защищает биосферу посредством:
· зашиты искусственных барьеров от вторжения человека из вне и влияния климатических условий;
· обеспечения стабильности физических и химических свойств среды для искусственных барьеров на протяжении геологических периодов времени;
· замедления и ограничения транспорта радионуклидов к биосфере (задержка, разбавление до того, как радионуклиды достигнут биосферы).
При этом должна быть продемонстрирована (обоснована) общая целостность многобарьерной системы.
Глубокое геологическое захоронение остается предпочтительным вариантом обращения с радиоактивными долгоживущими отходами во многих странах, включая Аргентину, Австралию, Бельгию, Чешскую Республику, Финляндию, Японию, Нидерланды, Республику Корея, Россию, Испанию, Швецию, Швейцарию и США. Единственное специально построенное глубокое геологическое хранилище для долгоживущих отходов среднего уровня активности (САО), которое в настоящее время лицензировано для операций по захоронению, находится в США. Планы по захоронению отработавшего топлива хорошо проработаны в Финляндии, Швеции и США, причем ввод в эксплуатацию первого такого сооружения запланирован к 2010 году. Политика по глубокому захоронению в настоящее время рассматривается в Канаде и Великобритании.
Рассмотрим некоторые примеры использования геологических формаций для глубокого захоронения радиоактивных материалов.
В Швеции разрабатывается концепция захоронения отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных долгоживущих отходов в сильно трещиноватых горных породах.
Предложенная Швецией концепция захоронения предполагает использование медного контейнера со стальной вставкой для изоляции отработавшего топлива. После размещения в хранилище, контейнер должен быть окружен буфером из бентонитовой глины, чтобы обеспечить в отходах сверхвысокий уровень удержания радиоактивности в течение очень долгого периода времени. Подобные концепции были разработаны в других странах для обращения с отработавшим ядерным топливом, например, в Финляндии.
Существующие в мире месторождения чистой меди свидетельствуют о том, что медь, также используемая в контейнере окончательного удаления, может сохранять свои свойства внутри коренной породы в течение чрезвычайно длительных периодов времени, если для этого есть соответствующие геохимические условия (сниженное количество грунтовых вод). Находки древних медных инструментов, возраст которых насчитывает многие тысячи лет, также служат доказательством длительной коррозионной стойкости меди, что делает ее надежным контейнерным материалом для долгосрочного хранения радиоактивных отходов.
В Бельгии, Франции, Нидерландах и Швейцарии рассматривается удаление отработавшего ядерного топлива и остеклованных высокоактивных отходов (ВАО) в глину. Бельгийская концепция удаления предполагает, что отработавшее топливо и отходы высокого уровня активности помещаются в стальные контейнеры, которые затем устанавливаются в туннели, пройденные внутри пластичной (самоуплотняющейся) глины. Очень низкая проницаемость глины приводит, фактически, к отсутствию потоков грунтовых вод на протяжении длительных периодов времени. Отходы предполагается закладывать вынутой глиной или, в качестве альтернативы, можно было бы устанавливать их в необлицованные вторичные туннели, где глине была бы дана возможность медленно наползать на них вплоть до контакта с контейнерами с отходами. Подобные системы были предложены в Нидерландах и, с использованием меньшего количества пластических глин, во Франции и Швейцарии.
Для захоронения отработавшего ядерного топлива и отходов высокого уровня активности от ядерной энергетики и оборонных программ США рассматривается гора Юкка, расположенная в отдаленном районе Невадской пустыни. Хранилище будет находиться на глубине 300 метров под землей в ненасыщенном слое вулканического туфа. Отходы будут храниться в высоко коррозионно-стойких двухкорпусных металлических контейнерах, с наружной оболочкой, сделанной из высоко коррозионно-стойкого металлического сплава, и с внутренним слоем усиленной конструкции из нержавеющей стали. Конденсатные экраны, изготовленные из коррозионно-стойкого титана, закроют контейнеры с отходами, чтобы отвести влагу и обеспечить защиту от возможного падения породы или осколков. В настоящее время подготавливается заявка на лицензию этого места для продолжения строительства хранилища. Начало эксплуатации хранилища намечено на 2010 год.
Для удаления трансурановых отходов от оборонных программ (подобных долгоживущим отходам среднего уровня активности) США с 1999 г. опытный объект по изоляции отходов WIPP (Waste Isolation Pilot Plant), размещенный на глубине 655 м в слоистых пластах каменной соли. Отходы, которые направляются на захоронение в это хранилище, содержат большие объемы долгоживущих САО, в основном упакованные в стальные контейнеры. Стальные контейнеры затем помещаются в бетонные транспортные контейнеры, которые засыпаются специальным материалом. Главная цель закладки состоит в том, чтобы обеспечить стабильность геохимических характеристик системы захоронения. Удержание радионуклидов в форме отходов рассчитано на почти полное отсутствие притока воды в соли.
Солевые среды также доступны в северной Германии и в Нидерландах, хотя в этих странах они являются соляными куполами, а не пластовыми формациями. Для этой цели в Германии в 1970-х годах было выбрано место в Горлебене, но в настоящее время действует мораторий на дальнейшую исследовательскую работу в этом регионе.
Кроме специальных пройденных выработок для надежного захоронения радиоактивных отходов в глубоких геологических формациях также могут быть использованы отработанные подземные рудники. Остановимся на нескольких примерах.
В Германии геологическое захоронение твердых отходов низкого и среднего уровня активности осуществлялось с 1967 по 1978 гг. в экспериментальных целях в отработанном соляном руднике Ассе, недалеко от Брауншвейга. Упаковки с отходами низкого и среднего уровня активности помещаются в предварительно пройденные выработки на глубине 490 м и 750 м, соответственно.
Другой объект глубокого геологического захоронения для отходов низкого и среднего уровня активности вступил в эксплуатацию в 1978 г. в отработанном соляном руднике Морслебен в бывшей Германской Демократической Республике. С момента объединения Германии в 1990 г. объект Морслебен имеет статус федерального могильника.
В настоящее время эксплуатация соляных рудников в Ассу и Морслебене приостановлена и проводятся исследования процесса вывода их из эксплуатации, чтобы определить метод закладки и герметизации хранилища.
Для захоронения долгоживущих среднеактивных отходов в Германии используется также отработанный железодобывающий рудник Конрад.
Наряду с глубоким захоронением радиоактивных материалов в специальных подземных хранилищах в международной практике также рассматривался вариант изоляции таких материалов в глубоких скважинах. Этот вариант предусматривает размещение твердых упакованных отходов в глубоких скважинах, пробуренных от поверхности земли на глубину в несколько километров, диаметром обычно менее 1 метра. Контейнеры с отходами отделяются друг от друга слоем бентонита или цемента. Буровая скважина не должна полностью заполняться отходами: верхние два километра ствола предполагается герметизировать материалами типа бентонита, асфальта или бетона.
Скважины могли бы легко пробуриваться на некотором расстоянии от берега, а также на суше в коренных породах, как кристаллических, так и осадочных. Эта возможность значительно расширяет диапазон мест, которые могут рассматриваться для захоронения радиоактивных отходов.
Концепции захоронения отходов высокой активности и отработавшего ядерного топлива в глубоких скважинах рассматривались (однако не реализовывались) в нескольких странах, включая Данию, Швецию, Швейцарию и США. Считается, что, по сравнению с глубоким геологическим захоронением в подземном хранилище, размещение в глубоких буровых скважинах является более дорогостоящим для больших объемов отходов. Этот вариант потерял свою привлекательность для дальнейшей разработки в таких странах, как Финляндии и США. Возможность захоронения отработавшего топлива в глубоких буровых скважинах изучалась в Швеции для того, чтобы проверить, остается ли глубокое геологическое захоронение более предпочтительным вариантом.
Международные хранилища. Не все страны адекватно оснащены для того, чтобы хранить или удалять свои собственные радиоактивные отходы. Некоторые страны ограничены по территории или имеют неблагоприятные геологические условия и, следовательно, аргументы в пользу размещения хранилища и доказательства его безопасности могли бы там быть оспорены. Ряд малых стран не располагает ресурсами, чтобы обеспечить свои собственные надлежащие меры, гарантирующие адекватную безопасность при изоляции отходов. Другие страны не могут иметь достаточного количества радиоактивных отходов, чтобы предпринять такое строительство или ввести в эксплуатацию свои собственные хранилища, сооружение которых было бы приемлемо с точки зрения экономики.
Такие страны проявляют заинтересованность в создании так называемых «региональных международных хранилищ радиоактивных отходов», когда площадка в одной стране принимала бы отходы из других стран. Такой подход имеет определенные экономические и технологические преимущества, как и выгоды в плане безопасности, особенно для стран, расположенных в одном географическом регионе.
В принципе основные вопросы, связанные со строительством и эксплуатацией таких хранилищ, ненамного отличаются от тех, которые возникают при реализации национальных проектов. Вместе с тем, имеются некоторые качественные отличия, связанные с характеристиками принимаемых отходов, финансовыми обязательствами стран-партнеров, разделением ответственности, применением любых требуемых гарантий, а также с собственностью на отходы и их перемещением.
К числу недостатков такого решения проблемы относится тот факт, что создание региональных хранилищ может привести к увеличению объема перевозок радиоактивных материалов. Кроме того, может оказаться затруднительным установить надежную систему, которая смогла бы сохраниться в изменяющихся политических и институционных (связанных с различными учреждениями и организациями) условиях и гарантировать долгосрочное сотрудничество всех стран-партнеров. Одной из наиболее трудных задач, связанных с таким подходом, является достижение соглашений, которые гарантировали бы странам-партнерам, что все технические, политические и финансовые обязательства будут выполнены.
Литература.
1. Мельников Н.Н., Конухин. В.П., Комлев В.Н. Подземное захоронение радиоактивных отходов. – Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1994.
2. Хан К.В., Хейнонен Й., Бонн А. Ликвидация радиоактивных отходов: мировой опыт и проблемы. – Бюллетень МАГАТЭ, 1997, т. 39, №1, с. 33-41.
3. Radioactive waste management: An IAEA source book. – Vienna: IAEA, 1992.