Atomic-Energy.ru

Окончательная изоляция ЖРО в глубокозалегающих пластах-коллекторах

22 марта 2013
Принципиальная схема глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов и промстоков

Работы по созданию глубоких геологических хранилищ жидких радиоактивных отходов (ЖРО) предприятий атомной промышленности были начаты в 1957 году. Основным исполнителем работ был определен ­ГОСНИПИ-14 (в настоящее время ОАО «ВНИПИпромтехнологии»). На основании распоряжений Совета Министров СССР от 13.09.1958 №3019рс и от 15.10.1960 №3173рс к решению этой проблемы были привлечены геологические организации – Второе главное геологическое управление (ныне ФГУГП «Гидроспецгеология») и Институт физической химии Академии наук СССР (ныне Институт физической химии и электрохимии РАН). 

Первые положительные результаты геологоразведочных работ были получены в районе Сибирского химического комбината (СХК, город Северск Томской области), где обнаружены коллекторские горизонты, залегающие на глубинах несколько сот метров и изолированные от поверхности слоями глинистых пород, а затем и для участков Горно-химического комбината (ГХК) и Научно-исследовательского института атомных реакторов (НИИАР).

Эксплуатация глубоких хранилищ (полигонов подземного захоронения) жидких РАО сопровождалась комплексными наблюдениями и исследованиями процессов, происходящих в недрах при заполнении их отходами.

С 1972 года на ГХК и с 1975 года на СХК осуществляется захоронение особо опасных высокоактивных отходов (ВАО). В 1987 году за разработку и внедрение в промышленность технологии захоронения ВАО специалистам ВНИПИпромтехнологии, ФГУГП «Гидроспецгеология», ГХК, СХК, НИИАР и Института физической химии присуждена премия Совета Министров СССР.

Во ВНИПИпромтехнологии были разработаны нормативные документы, в которых определялись требования к безопасности окончательной изоляции, состав работ на различных этапах осуществления захоронения, опубликована книга, информирующая специалистов и общественность об этой технологии обращения с РАО [1, 2, 3].

Опыт захоронения жидких РАО был использован для создания глубоких хранилищ нерадиоактивных отходов атомной промышленности. В 1987 году введен в эксплуатацию полигон захоронения промстоков производств минеральных удобрений и фторполимеров на Кирово-Чепецком химкомбинате, в 1992 году – полигон захоронения промстоков металлургических производств ОАО «Чепецкий механический завод», в 2007 году – полигон захоронения отходов химводоподготовки и радиоактивных тритиевых дебалансных вод Калининской АЭС (см. таблицу).

 

Глубокие хранилища (полигоны захоронения) отходов предприятий атомной промышленности

Предприятие

Вид отходов

Глубины захоронения, м

Начало захоронения, год

Объем, млн м3

Сибирский химический комбинат»

Жидкие РАО

270 – 320

314 - 386

1963

50

Горно-химический комбинат

Жидкие РАО

180 – 280

355 - 500

1967

6,5

 «НИИАР»

Жидкие РАО

1130 – 1410

1440 - 1550

1966

3,1

Чепецкий механический завод

Промстоки

1435- -1600

1992

7,1

ОАО «Кирово - Чепецкий химкомбинат»

Промстоки

1260 - 1440

1987

9,3

Калининская АЭС

Промстоки, тритиевые воды

1285 ¸1349 м

2007

0,8

 

В связи с завершением проектных сроков эксплуатации полигонов были выполнены исследования, обоснования и разработаны проекты реконструкции глубоких хранилищ для продолжения их эксплуатации. Проекты получили положительную оценку различных экспертиз.

В 1994-2002 годах было выполнено четыре исследовательских проекта Европейской комиссии и проект МНТЦ. В результате европейскими экспертами подтверждена безопасность захоронения жидких РАО, применяемого в Российской Федерации [5, 6, 7, 8].

 

Принципиальная схема глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов и промстоков

 

ОАО «Сибирский химический комбинат»

Работы на экспериментальном полигоне захоронения среднеактивных ЖРО на СХК (площадка 18а) были начаты летом 1963 года. Их положительные результаты позволили в 1967 году ввести в эксплуатацию опытно-промышленный полигон захоронения низкоактивных отходов (площадка 18). В 1975 году экспериментальный полигон в соответствии с проектом был реконструирован и введен в промышленную эксплуатацию.

Глубокие хранилища ЖРО расположены в пределах санитарно-защитной зоны предприятия. На захоронение направлялись отходы реакторного, радиохимического, сублиматного и химико-металлургического заводов, завода разделения изотопов, декантаты открытых бассейнов-хранилищ при их ликвидации. К настоящему времени номенклатура захораниваемых отходов сократилась.

 

Хранилища СХК: геологический разрез

 

В состав РАО входят макрокомпоненты (соли, ионы тяжелых металлов) и микрокомпоненты (радиоактивные нуклиды, продукты деления). Уран и трансурановые нуклиды находятся в неизвлекаемых микроконцентрациях. Среднеактивные отходы захораниваются в щелочной и кислой средах.

Верхняя часть разреза района захоронения сложена песчано-глинистой толщей мезо-кайнозойских отложений общей толщиной до 470 м. Для изоляции отходов используются горизонты (пласты-коллекторы), относящиеся к верхнемеловым образованиям. На площадке 18 для захоронения используются второй и третий горизонты, залегающие в интервале глубин 350-390 м и 270-320 м, соответственно. На площадке 18а используется второй горизонт (310-340 м).

Ниже коллекторских горизонтов залегает водоупорный горизонт, выше и между ними – слабопроницаемые горизонты, обладающие водоупорными свойствами и препятствующие вертикальному движению отходов. Коллекторские второй и третий горизонты сложены мелкозернистыми песками различной степени глинистости. Подобный геологический разрез (горизонтально залегающие песчаные относительно однородные проницаемые пласты и разделяющие их слабопроницаемые горизонты, обладающие водоупорными свойствами) в сочетании с замедленным движением подземных вод позволил обосновать возможность и безопасность захоронения ЖРО.

Подготовленные к захоронению отходы направляются по трубопроводам от мест образования на полигоны захоронения и затем к нагнетательным скважинам. ЖРО под давлением поступают в ствол скважины и в поровое пространство пласта-коллектора, вытесняя пластовые воды и частично смешиваясь с ними. В результате взаимодействия отходов и подземных вод значительная часть отходов задерживается породами и практически не участвует в дальнейшей миграции.

Эксплуатация хранилищ сопровождается контрольными наблюдениями, позволяющими подтверждать безопасность и выбирать оптимальный режим захоронения.

По данным прогнозных расчетов, отходы будут находиться в границах горного отвода, выделенного для захоронения, не менее 1 тыс. лет. В составе международного проекта была выполнена оценка ожидаемых доз облучения населения вследствие захоронения РАО всех уровней активности [5]. Полученное значение ожидаемой дозы составляет около 3*10-10 Зв/год, а время реализации – ~7 тыс. лет после окончания захоронения. Это на несколько порядков меньше предельного значения индивидуальной дозы 10-5 Зв/год, обусловленного обращением с РАО, в том числе захоронением (ОСПОРБ-99 и ОСПОРБ-99/2010).

ФГУП «Горно-химический комбинат»

Глубокое хранилище ГХК – полигон «Северный» – было введено в эксплуатацию в 1967-1969 годах. Оно расположено в 18 км к северу от города Железногорска Красноярского края, в центральной части древней эрозионно-тектонической впадины, заполненной песчано-глинистыми отложениями общей толщиной до 550 м. Толща песчано-глинистых пород разделена на проницаемые и слабопроницаемые горизонты. В качестве пластов-коллекторов для захоронения отходов используются  первый и второй горизонты, залегающие в интервале глубин 355-500 м и 180-280 м (центральная часть). Коллекторские горизонты изолированы друг от друга, неглубокозалегающих подземных вод и поверхности глинистыми слабопроницаемыми породами. Территория полигона «Северный» примыкает к Правобережному тектоническому нарушению. Проведенные исследования указывают, что заглинизированная плоскость этого нарушения фактически представляет собой водоупорный экран. Залегание коллекторских горизонтов во впадине кристаллического фундамента создает благоприятные условия для локализации отходов, плотность которых выше, чем у природных вод.

 

Полигон «Северный»: схематические геологические разрезы

 

Технологическая схема захоронения отходов и протекание процессов в коллекторских горизонтах аналогичны рассмотренным выше для ОАО «СХК». Контрольные наблюдения позволяют получить достаточно надежные данные о распределении отходов в коллекторских горизонтах, которые используются для оптимизации режимов захоронения и подтверждения безопасности.

По данным прогнозных расчетов, отходы будут находиться в границах горного отвода, выделенного для захоронения не менее 1 тыс. лет [5, 6]. Значение ожидаемых доз облучения населения как следствие захоронения РАО всех уровней активности – около 4,4*10-9 Зв/год, а время реализации – 5-6 тыс. лет после окончания захоронения.

ОАО «Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов»

Опытная установка НИИАР введена в эксплуатацию в 1966 году, опытно-промышленное (впоследствии промышленное) хранилище – в 1973 году.

Глубокое хранилище жидких РАО – «Опытно-промышленный полигон» (ОПП) – находится в 6 км к юго-западу от города Димитровграда Ульяновской области, в границах промплощадки НИИАР. На захоронение направляются отходы реакторных установок, материаловедческого, радиоактивных источников и препаратов и химико-технологического отделов, также комплекса обращения с отходами, спецпрачечной, вспомогательных объектов, новых производств. Подготовка отходов к захоронению осуществляется в комплексе обращения с отходами, в непосредственной близости от которого расположены нагнетательные скважины.

В отличие от глубоких хранилищ ОАО «СХК» и ФГУП «ГХК», для захоронения используются коллекторские горизонты, залегающие на значительно больших глубинах – 1130-1410 м (четвертая проницаемая зона) и 1440-1550 м (третья проницаемая зона). Третья проницаемая зона сложена песчаниками с прослоями глин и аргиллитов (яснополянский горизонт нижнего отдела каменноугольных отложений), четвертая – трещиновато-пористыми известняками и мергелями (отложения башкирского, серпуховского и окского надгоризонтов и ярусов нижнее-среднего отдела каменноугольных отложений). Коллекторские горизонты содержат высокоминерализованные воды, концентрация солей достигает 200 г/л и более. Они сами обладают токсичностью при попадании их на поверхность и в объекты окружающей человека природной среды. Эти воды являются седиментогенными, то есть водами древних морей и океанов, захваченных при образовании осадками, и эллизионными – отжатыми из осадков при формировании горных пород.

Пласты-коллекторы изолированы от поверхности и неглубокозалегающих пресных вод тремя водоупорными комплексами, общая толщина которых достигает 600 м. В таких условиях отходы, закачанные в пласты-коллекторы, будут практически навечно изолированы от среды непосредственного обитания. Движение подземных вод в таких коллекторах обусловлено тектоно-гидравлическими факторами, периодически меняет направление и не превышает долей метра в год. Ведется контроль распределения отходов в коллекторских горизонтах.

После окончания захоронения отходов их перераспределение будет происходить под влиянием разности плотностей отходов и пластовых вод. Отходы будут находиться в границах горного отвода.

При выполнении международного проекта [7] было установлено, что облучение населения (критической группы) вследствие захоронения жидких РАО при нормальном (эволюционном) протекании геологических процессов произойдет не ранее чем через 1 млн лет на уровне 10-25 Зв/год, а максимальное значение дозы сформируется после 1 млрд лет и будет характеризоваться значениями 10-19 Зв/год.

Калининская атомная станция

При подготовке воды для технологического процесса и периодической регенерации установок водоподготовки АЭС образуются растворы (промстоки), содержащие соли Ca, Mg, Fe, Na, Cu, B. Традиционный способ обращения с ними – сброс через пруды-охладители в поверхностные водоемы и водотоки, что приводит к постепенному засолению природных водоемов. Одновременно сбрасываются и тритиевые воды, что обуславливает увеличение активности трития в окружающей среде. Одним из методов обращения с такими промстоками может быть их удаление (захоронение) в глубокие пласты-коллекторы.

Это особенно актуально для Калининской АЭС, где в качестве пруда-охладителя используется часть Удомельского озера – практически бессточного водоема. Периодические сбросы солевых стоков и тритиевых вод, успешно применяемые на других АЭС, расположенных на берегах рек и морском побережье, в данном случае приводят к засолению озера и увеличению в нем активности трития.

Геологические условия Калининской АЭС являются благоприятными для удаления различных жидких отходов и промстоков в глубокозалегающие геологические горизонты. Используемый для захоронения отходов пласт-коллектор залегает в интервале глубин 1280-1350 м, сложен тонкозернистыми песками и изолирован от поверхности пластами слабопроницаемых пород мощностью несколько сот метров. Он расположен в зоне затрудненного водообмена: содержание солей в насыщающих его водах составляет ~220 г/л, естественное движение подземных вод – доли метра в год. С вводом в эксплуатацию глубокого хранилища (полигона глубинного захоронения) прекращен сброс промстоков и тритиевых вод в поверхностные водоемы. Глубокое хранилище Калининской АЭС может быть использовано для удаления отходов других АЭС и предприятий, например, содержащих тритий растворов, которые не могут быть обезврежены другими способами.

***
Основным законодательным документом, определяющим возможность захоронения жидких РАО, является закон «О недрах». В соответствии с этим документом допускается пользование участками недр для захоронения радиоактивных, токсичных и иных опасных отходов в глубоких горизонтах, обеспечивающих их локализацию. Важные положения содержаться в Объединенной конвенции о безопасности обращения с ОЯТ и безопасности обращения с РАО, в которой разделены понятия «сброс» и «захоронение». Подтверждением легитимности технологии глубинного захоронения жидких РАО является решение Верховного суда РФ от 25 апреля 2002 года об отказе в иске жителям города Томска и организации «Гринпис» о признании незаконным решения Правительства РФ от 23 октября 2001 года №1392-р о предоставлении СХК права пользования участком недр для захоронения жидких радиоактивных отходов.

Литература

1. Санитарные правила и технические условия эксплуатации и консервации глубоких хранилищ жидких радиоактивных и химических отходов предприятий ядерно-топливного цикла (СП и ТУ ЭКХ-93): введены в действие с 01.01.1995 указанием Минатома России 17.04.94 №05-65 УК.
2. Методические указания по эксплуатации и консервации глубоких хранилищ жидких РАО и химических отходов атомной промышленности (МУ ЭКГХ-2003). М:  ОАО «ВНИПИпромтехнологии».
3. Глубинное захоронение ЖРО. М.: ИздАТ. – 1994.
4. Deep Injection Disposal of Liquid Radioactive Waste in Russia, Battel Press, Columbus, Ohio. USA, 1998.
5. Evaluation of the Radiological Impact Resulting from Injection operations in Tomsk-7 and Krasnoyarsk-26. Final report, European Commission, EUR 18189 EN, 1999.
6. Deep well injection of liquid radioactive waste at Krasnoyarsk-26. Book, International Institute for Applied Analysis. PR-00-1, 2000.
7. Measurements, modeling of migration and possible radiological consequences at deep-well injection sites for liquid radioactive waste in Russia. Final report. EUR 17626 EN, 1997.
8. Building confidence in deep disposal: The borehole injection sites at Krasnoyarsk-26 and Tomsk-7. Report. Europien Comission project, EUR 20615, 2003.

Авторы

А.И. Рыбальченко, к.г.-м.н. (ОАО «ВНИПИпромтехнологии»),
А.А. Зубков, к.г.-м.н. (ОАО "СХК"),
А.В. Понизов (ФГУП "ГХК"),
В.В. Миронов (ОАО "ГНЦ НИИАР"),
А.Д. Турковский (Калининская АЭС)