Комплекс геоэкологических исследований позволил выявить нарушения инженерных барьеров «исторических» хранилищ радиоактивных отходов и провести оценку их герметичности.
В 1960-х годах в Советском Союзе была создана система из 35 специализированных комбинатов (СК) «Радон» для сбора, переработки и захоронения радиоактивных отходов, не связанных с топливно-ядерным циклом. После распада СССР в пределах России осталось 16 СК «Радон».
Наиболее крупными спецкомбинатами были и остаются Московский и Ленинградский (ныне Ленинградское отделение ФГУП «РосРАО»), на площадки которых ежегодно поступает, соответственно, до 3000 м3 и 1000 м3 РАО. Ежегодные поступления на другие спецкомбинаты не превышают 100-200 м3, чаще всего – до 10 м3 в год.
Спецкомбинаты «Радон» принимают твердые радиоактивные отходы (до 95%), жидкие РАО и отработавшие источники ионизирующего излучения. На долю последних приходится менее 1% объема и до 99% суммарной активности отходов.
Объекты для захоронения ТРО приповерхностного типа представляют собой траншейные выемки глубиной до 5 м и объемом 200-12000 м3, наиболее распространены сооружения объемом 200 м3 и 5000 м3. Стены выполнены из железобетонных блоков или сплошного железобетона, дно из глинистого экрана или бетонной стяжки. Внутренняя часть могильника разделена на отдельные отсеки объемом 100-150 м3. Конструкция перекрыта железобетонными плитами, стыки которых заполнены битумом, сверху – асфальтовое покрытие.
До середины 1990-х годов загрузка траншей отходами проводилась послойно без сортировки – навалом. Каждый слой толщиной около 1 м отверждался путем заполнения цементным раствором. В последующие два-три года отходы предварительно помещались в 200-литровые бочки, которые заполнялись цементным раствором, укладывались в траншеи слоями с засыпкой промежутков между бочками порошком бентонитовой глины. С начала нашего столетия загрузка осуществлялась принципиально иным способом. По новой технологии загрузки 200-литровые бочки с отвержденными отходами укладывались в контейнеры НЗК, пустоты между бочками в НЗК и между контейнерами засыпались порошком бетонитовой глины. К настоящему времени по данной технологии загружено пять объектов объемом около 5000 м3 каждый. Расчетный срок безопасной изоляции ТРО при этом превышает 100 лет.
В 1990-х годах по рекомендациям МАГАТЭ всем объектам захоронения ТРО приповерхностного типа был придан статус хранилищ длительного хранения РАО.
Для объектов захоронения РАО в качестве основного барьера, обеспечивающего безопасность окружающей среды, принимается массив вмещающих пород, поэтому основная часть площадок спецкомбинатов приурочена к толщам пород, обладающих низкой проницаемостью и высокими сорбционными свойствами (глинам, суглинкам, супесям). А для хранилищ основными барьерами являются инженерные: матрица, в которую заключены отходы (цемент, битум, стекло), стенки контейнера (чаще всего 200-литровой бочки), отвержденные цементные составы, заполняющие пустоты толщи отходов, конструктивные элементы хранилища (стены, днище, перекрытия). Перевод объектов захоронения в статус хранилищ потребовал оценки фактического состояния их конструкций и инженерных барьеров. Иными словами, требовалось оценить герметичность хранилищ РАО приповерхностного типа.
Изначально можно было предположить, что наибольшую потенциальную опасность для окружающей среды представляют «исторические» хранилища приповерхностного типа, заполнение которых выполнялось послойно навальным способом. Таких хранилищ на площадках СК «Радон» было большинство. В связи с этим на площадке ГУП МосНПО «Радон» в середине 1990-х годов были начаты работы по оценке состояния находящихся в эксплуатации хранилищ данного типа. За 16 лет обследовано более 20 хранилищ, вмещающих около 80 тыс. м3 отходов. Аналогичные работы, но в меньших масштабах, были проведены на Саратовском, Волгоградском и Ростовском СК «Радон».
Комплексные геоэкологические исследования
Для оценки состояния хранилищ был разработан и внедрен комплекс геоэкологических исследований. В основе этих исследований было бурение скважин колонкового типа, проходимых непосредственно в хранилищах, их приконтурных зонах и массиве вмещающих пород; глубины скважины соответственно составляли 3,5 м, 5-6 м и 5-7 м (рис. 1).
В комплекс геоэкологических исследований входили геологические, гидрогеологические и геофизические исследования. В процессе проходки скважин отбирались пробы отходов, грунтов и воды, которые подвергались лабораторному анализу на содержание радионуклидов.
Геологические исследования включали в себя определение выхода и состояния керна, его радиометрию, отбор проб керна для спектрометрических и радиохимических лабораторных исследований. Гидрогеологические – определение динамического и статического уровней воды, проведение опытных гидрогеологических наливов воды для определения проницаемости вскрытых интервалов, отбор проб воды для лабораторного анализа их химического и радионуклидного состава. Геофизические – γ- и термокаротаж.
Все скважины по окончании проведения в них комплекса исследований передавались в систему локального мониторинга отдельных хранилищ. Мониторинг включал периодический, в течение года, контроль гидродинамического, химического и радионуклидного режима вод хранилищ, их приконтурных зон и массива вмещающих пород, также по скважинам проводился γ- и термокаротаж.
Результаты исследований
Результаты комплексных геоэкологических исследований по оценке состояния «исторических» хранилищ РАО показали следующее.
На поверхности большинства хранилищ на стыках перекрывающих плит отмечались открытые трещины, по которым внутрь поступали атмосферные осадки. Через 2-3 года после укладки очередного слоя асфальта на поверхности вновь появлялись трещины по этим же стыкам.
Во всех хранилищах и их приконтурных зонах при вскрытии скважинами была обнаружена вода, уровень которой находился на глубине 0,5-1,5 м от поверхности. По активности эти воды отнесены в основном к низкоактивным жидким отходам, реже – к среднеактивным. Значение рН воды, равное 11-12, свидетельствует о процессе выщелачивания цементного заполнителя хранилища.
В приконтурной зоне хранилищ уровень грунтовых вод практически в течение всего года находился ниже уровня воды в самих хранилищах. Это указывает на фильтрацию вод хранилища в приконтурную зону и, соответственно, на миграцию радионуклидов из толщи отходов (рис. 2). По содержанию радионуклидов воды приконтурной зоны относятся к низкоактивным ЖРО, значения рН этих вод находятся в пределах 7-9. В породах вмещающего массива, непосредственно примыкающего к приконтурной зоне хранилища, грунтовые воды по химическому и радионуклидному составу, а также по значениям рН практически соответствуют исходным грунтовым водам верховодки.
Рис. 2. Положение уровня воды в хранилище и его приконтурной зоне в летний и зимний периодыПри вскрытии буровыми скважинами выявлено, что верхняя часть толщи отходов (до глубины 1,5-1,7 м) интенсивно разрушена. Нижняя часть толщи отходов сравнительно монолитна, хотя и в ней встречаются пустоты и локальные участки разрушений отходов (рис. 3 (1)). В грунтах приконтурной зоны и массиве вмещающих пород вторичных изменений не обнаружено.
Рис. 2. Положение уровня воды в хранилище и его приконтурной зоне в летний и зимний периоды
При вскрытии буровыми скважинами выявлено, что верхняя часть толщи отходов (до глубины 1,5-1,7 м) интенсивно разрушена. Нижняя часть толщи отходов сравнительно монолитна, хотя и в ней встречаются пустоты и локальные участки разрушений отходов (рис. 3 (1)). В грунтах приконтурной зоны и массиве вмещающих пород вторичных изменений не обнаружено.
Проведенными по всем скважинам γ-каротажными исследованиями установлено, что в первые два-три года после загрузки хранилищ распределение значений МЭД по глубине толщи отходов сравнительно однородно. В грунтах приконтурной зоны и в породах вмещающего массива значения МЭД находятся на уровне фоновых. Через три-пять лет после загрузки в толще отходов хранилищ по вертикали выделяется зональность по значениям МЭД, причем контрастность этих значений со временем возрастает. Для верхней зоны толщи отходов (до глубины 1,5-2 м) отмечается резкое по сравнению с исходными данными снижение γ-активности, оно может достигать одного-двух порядков. В нижней зоне хранилища значения МЭД близки к исходным или незначительно понижены (рис. 3 (2)).
В грунтах приконтурной зоны МЭД в два-три раза превышает фоновые значения. При этом выделяются локальные участки с величинами МЭД, соответствующими МЭД отходов и приуроченные к местам выхода радионуклидов из хранилищ, что позволяет выделять участки миграции радионуклидов в приконтурную зону.
В породах вмещающего массива значения МЭД практически остаются на уровне исходных величин. Вмещающие породы, обладая высокими сорбционными свойствами, интенсивно сорбируют радионуклиды и тем самым препятствуют их дальнейшей миграции.
Гидрогеологическими исследованиями установлено, что в течение трех лет после загрузки проницаемость толщи отходов в хранилищах по всей глубине была относительно одинаковой, значения коэффициента фильтрации – 0,1-1,5 м/сут. Как отмечалось, при последующей эксплуатации хранилищ в толще отходов появлялась зональность. Поэтому в толще отходов отдельно определялась по глубине проницаемость верхней зоны (интервал 0-2 м) и нижней (2-4 м). В результате установлено, что значения коэффициентов фильтрации для отходов верхней зоны существенно возросли и в отдельных случаях достигали 50 м/сут. В нижней зоне проницаемость осталась практически на прежнем уровне (рис. 3 (3)). Значения коэффициента фильтрации для грунтов приконтурной зоны практически не зависят от срока эксплуатации хранилищ и находятся в пределах 0,1-0,5 м/сут. Проницаемость пород вмещающего массива также не меняется и составляет 0,005-0,01 м/сут.
Многолетние систематические исследования температурного поля показали, что в теплый период года (апрель-ноябрь) вся толща отходов находится в поле положительных температур. В холодный период (декабрь-март) в верхней части толщи отходов четко выделяется поле отрицательных температур, глубина которого коррелируется с глубиной промерзания среды. Так, максимальная глубина промерзания толщи отходов для площадки ГУП МосНПО «Радон» достигала 1,1 м, глубина промерзания грунтов приконтурной зоны – 0,7 м (рис. 3 (4)).
Миграция радионуклидов из хранилищ
Таким образом, проведенными комплексными исследованиями установлено, что спустя 5-10 лет после загрузки хранилищ в верхней части толщи омоноличенных отходов происходит ее разрушение на глубину до двух метров. Наиболее вероятным фактором деструкции толщи отходов является процесс годичных циклов «промерзание – оттаивание» приповерхностной зоны хранилища. В результате промерзания происходит переход влаги в лед, содержащейся в порах и трещинах толщи отходов, с последующим расширением льда и разрушением матрицы отходов. Тоже происходит и с конструктивными элементами хранилищ – стыковыми швами плит перекрытий и стен хранилищ. Высказанное положение хорошо коррелируется с соответствием глубины промерзания отходов с границами их разрушения.
В результате разрушения через открытые щели плит перекрытия в толщу отходов проникают атмосферные осадки, что приводит к выщелачиванию отвержденных отходов и переходу радионуклидов в жидкую фазу. Следствием этого процесса является резкое повышение проницаемости верхней зоны толщи отходов и снижение их удельной активности. Через нарушения в стенах происходит вынос радионуклидов в приконтурную зону хранилищ.
Систематическими многолетними наблюдениями за гидродинамическим режимом выявлено, что практически в течение всего года уровень воды в хранилищах выше уровня воды в их приконтурных зонах. Иными словами, практически в течение всего года с различной степенью интенсивности происходит миграция радионуклидов из хранилищ в приконтурную зону.
На основе ориентировочных расчетов суммарной активности в хранилище, его приконтурной зоне и массиве вмещающих пород можно оценить относительное распределение мигрировавших радионуклидов. Если принять суммарную активность отходов в хранилище за единицу, то в приконтурной зоне она будет составлять 0,03-0,05, в граничной зоне массива вмещающих пород – около 0,005.
Миграция радионуклидов возможна как в горизонтальной плоскости по направлению потока грунтовых вод, так и в вертикальном направлении. Натурные исследования по оценке параметров миграции для хранилищ «возрастом» 30-40 лет показали, что распространение радионуклидов с потоком грунтовых вод не превышает 0,5 м, а в вертикальном направлении достигает 1,5 м. Необходимо учитывать, что приведенные значения распространения ореолов загрязнения присущи конкретным условиям площадки, сложенной суглинистыми породами.
В заключение следует отметить, что приведенные результаты по оценке состояния «исторических» хранилищ РАО относятся к конкретным геологогидрогеологическим условиям, отличающихся наличием толщи пород с низкой проницаемостью и высокими сорбционными свойствами, а также грунтового водоносного горизонта типа верховодки. В случаях расположения хранилищ приповерхностного типа в зоне аэрации, когда водоносные горизонты расположены ниже хранилищ, миграция из них будет происходить лишь в вертикальном направлении.
