3 сентября 2008

Восстановление герметичности "Исторических" хранилищ

Atomic-Energy.ru
recover_germetic_01.jpg Повторное омоноличивание массива радиоактивных отходов recover_germetic_01.jpg

Хранилища приповерхностного типа для отвержденных отходов низкого и среднего уровней активности появились на Московском «Радоне» в середине 60-х годов XX века. Через десятки лет эксплуатации потребовалось восстановление их защитных свойств.

Железобетонные хранилища

Первые хранилища создавались по проектам Государственного специального проектного института (ГСПИ) Минсредмаша СССР. Их объем составлял около 400 м3. Внешние боковые стенки и внутренние перегородки отсеков были выполнены из железобетона, днище представляло собой бетонную стенку толщиной 0,4 м. Сооружения располагались ниже поверхности земли в траншейных выемках глубиной 4-5 м и перекрывались сверху железобетонными плитами, на которые укладывался слой асфальта.Строительство хранилищ из железобетона продолжалось до конца 90-х годов. В середине 80-х над некоторыми из них был сооружен второй этаж, который располагался выше поверхности земли на 3,5-4 м. Объем одноэтажных сооружений составлял от 400 до 10000 м3, двухэтажных — до 20000 м3. Радиоактивные отходы укладывались в отсеки слоями толщиной около метра и послойно заливались цементным раствором.

До конца 90-х годов такие хранилища имели статус могильников, т.е. предназначались для окончательного захоронения низко- и среднеактивных отходов. Роль основного барьера, обеспечивающего их геоэкологическую безопасность, выполнял массив вмещающих пород.

В геологическом отношении площадка НПК ГУП МосНПО «Радон», где расположены хранилища, представляет собой толщу моренных отложений мощностью около 70 м. Это тяжелые суглинки с относительно низкой гидравлической проницаемостью и высокими сорбционно-емкостными свойствами по отношению к радионуклидам. В их толще встречаются редкие маломощные линзы глинистых песков, которые не имеют между собой гидравлической связи (для них характерно локальное расположение). Таким образом, породы служат надежным природным барьером для защиты окружающей среды от возможной миграции радионуклидов из приповерхностных хранилищ РАО.

С 90-х годов по рекомендациям МАГАТЭ могильникам приповерхностного типа был придан статус хранилищ РАО с ограниченным сроком хранения. Предполагалось, что в дальнейшем отходы вывезут в региональные могильники. В новой концепции защита окружающей среды от негативного воздействия отходов, в основном, возлагалась уже на инженерные барьеры (матрицы и упаковки отходов, заполнитель между отдельными упаковками, конструктивные элементы здания). И специалисты «Радона» должны были оценить состояние таких барьеров, чтобы проверить герметичность сооружений.

Причины и следствия возможной разгерметизации

На хранилища приповерхностного типа интенсивно воздействуют внешние природные факторы (атмосферные осадки, перепад температур и т.д.). При длительной эксплуатации хранилища комплекс защитных барьеров может разрушиться.

Гарантией безопасности хранения радиоактивных отходов является целостность каждого отдельно взятого элемента мультибарьерного комплекса. Если нарушается хотя бы один из защитных барьеров, потенциальный риск миграции радионуклидов в окружающую среду возрастает.

Причинами нарушения целостности конструктивного материала хранилища могут быть деформация элементов сооружения при циклах замораживания-оттаивания, значительных температурных колебаниях во внешней среде и в результате усадки, а также дефекты конструкций. Все это может привести к тому, что на поверхности (внешнем контуре) сооружения могут возникнуть трещины и микротрещины, зачастую соединяющиеся между собой.

В блочной конструкции хранилища приповерхностного типа множество стыков между элементами, которые образуют боковые поверхности стен, перегородки внутри сооружения и верхнего перекрытия. Со временем, под воздействием климатических и техногенных факторов, может произойти разгерметизация швов, а в стенках хранилищ — сформироваться система сквозных взаимосвязанных каналов. В дополнение к этому массив отвержденных отходов подвергается процессам сезонного промерзания-оттаивания.

Все это необходимо было учесть, оценивая состояние инженерных барьеров. Оценочные работы включали комплексные геологические, гидрогеологические, геофизические и радиометрические исследования состояния массива отходов, грунтов приконтурной зоны и массива вмещающих пород. В выделенных зонах были пробурены разведочные скважины глубиной до 8 м. При этом осуществлялся полный отбор кернового материала (образцов отходов и грунтов) и проб воды на химический и радиохимический анализ, с поинтервальным определением проницаемости среды по глубине, гамма- и термокаротаж. Впоследствии практически все разведочные скважины были включены в систему геомониторинга зоны возможного загрязнения.

В результате круглогодичных температурных исследований установлено, что глубина промерзания толщи отходов в зимний период составляет 1–2 м. В зимнее время промерзает практически вся верхняя часть массива отходов.

Сезонное замерзание разрушает отвержденную толщу отходов. Поэтому в летний период в тело хранилища могут проникнуть атмосферные осадки, развиться процессы выщелачивания радионуклидов.

Наиболее интенсивно процесс выщелачивания радиоизотопов может происходить в верхней части хранилища.

В результате возникновения потенциальной угрозы нарушения целостности стенок сооружения с последующей инфильтрацией вод за контуры хранилища возможно поступление радионуклидов в его приконтурную зону. В процессе комплексных исследований, проведенных с помощью пробуренных в этой зоне скважин, установлено, что обладающие высокими сорбционными свойствами суглинки приконтурной зоны являются надежной преградой на пути возможного поступления отходов в прилегающий массив пород.

Таким образом, на основе проведенных широкомасштабных работ по оценке состояния массива отходов в «исторических» хранилищах, грунтов приконтурной зоны сооружений и массива вмещающих пород было принято решение по разработке технологии для предотвращения разрушения цементной матрицы отходов с целью создания монолитного отвержденного массива РАО.

Для оценки состояния инженерных барьеров были проведены комплексные геологические, гидрогеологические, геофизические и радиометрические исследования состояния массива отходов, грунтов приконтурной зоны и массива вмещающих пород.

Повторное омоноличивание РАО

Чтобы исключить вероятность миграции радионуклидов за контуры сооружения, необходимо было предотвратить угрозу нарушения их герметичности. С этой целью специалисты Научно-исследовательского центра геоэкологии и реабилитации территорий разработали способ повышения экологической безопасности долговременной локализации РАО в хранилищах приповерхностного типа — повторное омоноличивание. Метод защищен патентом РФ.

Технологическая схема повторного омоноличивания предусматривает ряд последовательных операций:

  • оценку состояния грунтов приконтурной зоны хранилища, материала конструкции сооружения и матриц РАО;
  • бурение на участке проведения работ разведочно-технологических и технологических скважин;
  • выполнение гидрогеологических исследований проницаемости массива РАО;
  • повторное омоноличивание массива отходов;
  • обеспечение экологической безопасности работ;
  • оценку эффективности внедрения повторного омоноличивания.Для повторного омоноличивания массив РАО вскрывается технологическими скважинами (рис. 1).

Все они оборудуются кондуктором и нагнетательным ставом для подачи тампонажного раствора (смеси на основе цемента с добавлением бентонита, либо цемента высокой проницаемости). Состав раствора и расположение скважин для каждого отдельного отсека хранилища определяются на основе исходных параметров состояния массива отходов.

Метод повторного омоноличивания был использован для восстановления герметичности «исторических» хранилищ радиоактивных отходов ГУП МосНПО «Радон», срок консервации которых превышает 30–40 лет. При этом удельный расход тампонажного раствора составил 0,05 — 0,07 м³ на 1 м³ массива РАО.

В результате, удалось приостановить процесс разрушения цементной матрицы отходов — первого инженерного барьера. Проницаемость повторно омоноличенного массива РАО снизилась до значений проницаемости пород вмещающего массива, что является гарантией высокой экологической безопасности долговременного хранения отходов.

Исследования процесса миграции радионуклидов из «исторических» хранилищ показали, что повторное омоноличивание массива РАО позволило ликвидировать угрозу проникновения радиоактивных веществ в грунты приконтурной зоны.

Защитное покрытие

Итак, повторное омоноличивание позволяет восстановить герметичность хранилищ РАО и препятствует процессу миграции радионуклидов. Но этот эффект носит временный характер. Технология ликвидирует последствия деградации (нарушения конструкции хранилища и массива РАО), а не ее причины (воздействие внешних разрушающих факторов, в первую очередь, атмосферных осадков и сезонного процесса промерзания-оттаивания).Для предотвращения влияния осадков и сезонных перепадов температур на конструкцию хранилищ приповерхностного типа и массив РАО специалисты ГУП МосНПО «Радон» разработали верхнее защитное покрытие. Это многослойный экран, в основном, из природных материалов, перекрывающий всю поверхность сооружения (рис. 2).

Покрытие позволяет создать в толще отходов поле положительных температур в течение всего года, независимо от температуры окружающей среды, и тем самым препятствует разрушению конструкций хранилища и массива РАО. Термодинамические расчеты, выполненные совместно с сотрудниками кафедры геокриологии МГУ им. М. В. Ломоносова, показали, что эта задача может быть успешно решена при мощности верхнего экрана 2,7–3 м.

Вторая функция покрытия — предотвратить (или существенно снизить) проникновение атмосферных осадков в объем хранилища, предупредив выщелачивание отходов и их миграцию в приконтурную зону. Согласно гидрогеологическим расчетам, это можно сделать за счет формирования экрана из слоев, разных по составу и фильтрационным свойствам. Верхнее перекрытие — это комплекс чередующихся «водоупоров» и «дренажей».

Для совершенствования конструкции верхнего инженерного барьера и параметров отдельных слоев, а также для исследования эффективности защитного покрытия в натурных условиях был создан макет фрагмента экрана в натуральную величину. С его помощью ведется изучение гидроизоляционных и теплофизических свойств отдельных слоев верхнего инженерного барьера хранилищ приповерхностного типа.

Долговременные наблюдения за распределением температурного поля в системе «многофункциональное покрытие — хранилище РАО» показали, что развивающиеся сезонные процессы промерзания–оттаивания при наличии верхнего барьера не затрагивают конструкцию хранилища и массив РАО. Нижняя граница области промерзания располагается в зоне многофункционального покрытия. Гидрогеологические наблюдения системы показывают, что конструкции защитного экрана способны полностью ликвидировать процесс инфильтрации атмосферных осадков в рабочий объем сооружения и отвести их без остатка в дренажную систему, которая располагается за контуром хранилища.

Таким образом, комплекс технологий по повторному омоноличиванию массива РАО и многофункциональное покрытие позволяют обеспечить экологическую безопасность долговременной локализации РАО в хранилищах приповерхностного типа на расчетный срок их эксплуатации.