22 мая 2013
Атомная энергия 2.0

Гарантии безопасности "исторических" хранилищ РАО

Рис. 1. Расположение тампонажных скважин при проведении повторного омоноличивания отходов

Одним из ведущих направлений Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности в 2008 году и на период до 2015 года» является вывод из эксплуатации предприятий по хранению отходов низкого и среднего уровня активности. При определении очередности вывода из эксплуатации необходимо принимать во внимание наличие свободных объемов емкостей на площадке, перспективы ее использования для длительного хранения отходов, эффективность существующей системы мониторинга, техническую готовность предприятия к выполнению необходимых работ по выводу из эксплуатации.

В настоящее время насчитывается более 1000 объектов временного хранения РАО, которые в силу различных обстоятельств представляют реальную и потенциальную угрозу окружающей среде. Значительную их часть составляют хранилища длительного хранения РАО приповерхностного типа – траншейные выемки глубиной до 6 м и объемом от 200 м3 до 18000 м3. Стены хранилищ выполнены из бетонных блоков или сплошного железобетона, перекрытия – из железобетонных плит. Отходы находятся в отвержденном состоянии, причем заполнение хранилищ находится в пределах 35-60%. Первые такие хранилища были построены почти 50 лет назад, их называют «историческими».

Под действием природных факторов в хранилищах, находящихся в эксплуатации более 5-7 лет, отмечены нарушения инженерных барьеров, в самих траншеях обнаружена вода, которая по содержанию радионуклидов относится к низко- или среднеактивным жидким радиоактивным отходам. Выявлена миграция ЖРО в приконтурную зону хранилищ. Во избежание негативного воздействия хранилищ на окружающую среду необходимо обеспечить их безопасность в настоящее время и на весь период эксплуатации. Гарантировать безопасность «исторических» хранилищ может вывод их из эксплуатации.

Опыт вывода из эксплуатации хранилищ приповерхностного типа, накопленный к настоящему времени, позволяет выделить два принципиальных технических решения этой задачи.

Извлечение РАО

Первое направление – извлечение РАО с последующим перемещением в пункты окончательного захоронения отходов (ПЗРО) или в хранилища с высокой геоэкологической надежностью. В нашей стране в качестве успешного применения этой технологии следует привести опыт вывода из эксплуатации полигона хранилищ отвержденных РАО на территории РНЦ «Курчатовский институт». За короткий срок было в хранилища Сергиево-Посадского полигона ГУП МосНПО «Радон» было перемещено более 30 тыс. м3 отходов.

Этому успеху способствовало то, что, во-первых, отходы низкой и средней активности были представлены песчаным и супесчаным фракциями с редкими включениями фрагментов строительных конструкций и металла. Во-вторых, приповерхностные хранилища были расположены в зоне аэрации, и уровень грунтовых вод был ниже их днища. В-третьих, работы выполнялись коллективом сотрудников с высокой профессиональной подготовкой.

В 2010 году ФГУП «РосРАО» приступило к реализации проекта вывода из эксплуатации хранилищ приповерхностного типа Мурманского отделения. На площадке отделения расположено три хранилища объемом по 200 м3 каждое. Они заполнены твердыми фрагментированными отходами, степень заполнения различна – от 15 м3 до 100 м3. В хранилищах имеется вода, соответствующая по активности низкоактивным ЖРО. Вмещающие скальные породы содержат грунтовые воды, уровень которых в течение года колеблется от 2 м до 5 м от поверхности.

Согласно проекту, первоначально выводится из эксплуатации хранилище №3, содержащее 15 м3 фрагментированных среднеактивных отходов и 8 м3 ЖРО. На первом этапе работ проводится откачка и переработка ЖРО. Далее – извлечение РАО и размещение их в контейнерах, которые затем складируются в закрытом помещении для временного хранения. В таком же порядке будут проводиться работы по выводу из эксплуатации других хранилищ Мурманского отделения.

В период временного хранения контейнеров с РАО основной задачей является обеспечение их безопасности. В то же время, учитывая гидрогеологические условия площадки Мурманского отделения, важна оценка потенциальной опасности загрязнения грунтовых вод за счет миграции радионуклидов из приконтурных зон хранилищ. Дело в том, что в течение всего времени хранения отходов происходило их выщелачивание из хранилищ за счет поступления атмосферных осадков и, как следствие, миграция радионуклидов в приконтурную зону и далее в водоносный горизонт. В процессе эксплуатации хранилищ в водах приконтурной зоны выявлен ореол загрязнения этих вод радионуклидами отходов. В связи с этим в течение временного хранения контейнеров с РАО необходимо определить контуры ореола загрязнения грунтовых вод, состав и количественное содержание радионуклидов. По данным этих исследований предполагается выполнить прогнозный расчет миграции радионуклидов с подземными водами на заданный временной срок. Расчетный срок определяется временем достижения удельных концентраций радионуклидов значений уровня вмешательства (АУВ).

Анализ геологогидрогеологических условий площадки Мурманского отделения позволяет полагать, что в данном случае миграция радионуклидов с подземными водами не представит реальной опасности для окружающей среды, поскольку после извлечения отходов из хранилища ликвидируется источник загрязнения водоносного горизонта. Кроме того, этому способствуют малые скорости движения грунтовых вод, а также высокие сорбционные свойства вмещающего трещиноватого гранитного массива, так как плоскости трещин содержат высокосорбирующие глинистые минералы. Однако это заключение необходимо подтвердить соответствующими расчетами.

В целом следует отметить, что при выводе из эксплуатации хранилищ приповерхностного типа путем извлечения отходов необходимыми условиями проведения работ являются обеспечение радиационной безопасности персонала и предотвращение или минимизация повторного загрязнения прилегающей территории и транспортных коммуникаций.

Консервация хранилищ

В основе второго технического направления вывода из эксплуатации хранилищ приповерхностного типа заложена идея их консервации. Итогом применения данной технологии является перевод хранилищ приповерхностного типа в статус объектов окончательной изоляции РАО. При этом отходы не извлекаются из хранилищ, а принимаемые технические решения направлены на предотвращение негативного воздействия этих объектов на окружающую среду.

На Сергиево-Посадском полигоне ГУП МосНПО «Радон» разработана и прошла опытно-промышленные испытания комплексная технология консервации хранилищ приповерхностного типа. При разработке технологии исходили из следующих предпосылок:

  • при длительной эксплуатации хранилищ происходит разрушение ранее омоноличенного массива отходов;
  • определяющим фактором разрушения массива отходов является воздействие на толщу отходов сезонного процесса «промерзание – оттаивание», под действием которого происходит нарушение герметичности инженерных конструкций хранилища;
  • в толщу отходов поступают атмосферные воды, что ведет к выщелачиванию радионуклидов и созданию условия для их миграции за контуры хранилищ.

Согласно принятым предпосылкам, технологический комплекс по консервации хранилищ включает повторное омоноличивание отходов и создание многофункционального покрытия.

Повторное омоноличивание проводится с целью восстановления первоначального состояния массива отходов путем заполнения образовавшихся пустот тампонажными твердеющими растворами. При этом восстанавливается герметичность инженерных барьеров хранилища – происходит заполнение образовавшихся в них трещин и пустот. Сооружение многофункционального покрытия хранилища выполняется для предотвращения или существенного снижения поступления атмосферных осадков в хранилище, а также создания поля положительных температур в массиве отходов в течение всего года. Технический комплекс прошел опытно-промышленные испытания при консервации трех хранилищ приповерхностного типа с объемами 400 м3, 12000 м3 и 16000 м3 РАО. Отдельно было проведено повторное омоноличивание отходов в трех хранилищах общим объемом около 20000 м3.

Повторное омоноличивание

Технология повторного омоноличивания включает в себя бурение скважин в хранилище для нагнетания тампонажных растворов (рис. 1), нагнетание растворов и контроль выполненных работ.

Выбор составов цементосодержащих растворов, используемых при повторном омоноличивании, варьирование составами, добавками и общими характеристиками растворов позволяют учитывать изменчивость омоноличиваемой среды. Параметры сети нагнетательных скважин – количество скважин и расстояние между ними – определяются по результатам оценки исходного состояния массива РАО, в том числе, опытно-фильтрационных исследований его проницаемости. Эффективность применения технологии повторного омоноличивания хранилищ зависит, в первую очередь, от детального изучения исходного состояния массива РАО.
Работы по повторному омоноличиванию отходов, как правило, проводятся в три этапа (см. таблицу 1).

В результате повторного омоноличивания проницаемость массива отходов в верхней зоне хранилища объемом 12000 м3 снизилась на два порядка, в нижней – практически не изменилась. Уровень удельной активности воды в приконтурной зоне уменьшился на два порядка (см. таблицу 2).

Необходимо иметь в виду, что повторно омоноличенная толща отходов со временем вновь будет разрушаться и опять возникнет потенциальная опасность миграции радионуклидов в приконтурную зону хранилища. В связи с этим определение срока эффективного действия технологии повторного омоноличивания приобретает важную технико-экономическую значимость. Обоснование этого срока определяет максимально допустимый временной промежуток между повторным омоноличиванием РАО и созданием многофункционального покрытия хранилища. Продолжительность этого технологического перерыва довольно четко фиксируется данными контроля содержания радионуклидов в воде приконтурной зоны хранилища.

На рисунке 2 четко выделяются три этапа повторного омоноличивания отходов. Первый этап включает в себя период непосредственного омоноличивание. В результате нагнетания тампонажного раствора происходит выжимание находящейся в хранилище воды за его контуры, что приводит к повышению удельной активности радионуклидов в воде приконтурной зоны. Второй этап – от завершения тампонажных работ до начала повторного выщелачивания отходов в хранилище – характеризуется резким падением концентрации активности воды в приконтурной зоне до значений ниже АУВ. Третий этап – начало повторного выщелачивания отходов, вызванного повторным поступлением атмосферных вод в толщу отходов. Длительность эффективного действия технологии повторного омоноличивания определяется продолжительностью второго этапа. Анализ показал, что максимальный срок перерыва между повторным омоноличиванием и созданием многофункционального покрытия не должен превышать 3-4 лет.

При выборе состава тампонажного раствора целесообразо рассматривать отдельно хранилища НАО и САО. Для хранилищ НАО с «активной» эксплуатацией 90-120 лет (три-четыре периода полураспада Sr90 и Cs137) предпочтение следует отдавать тампонажным растворам на цементной основе. Для хранилищ САО со сроком эксплуатации более 300 лет (десять и более периодов полураспада Sr90 и Cs137) – тампонажным растворам на силикатной основе. Это различие обусловлено устойчивостью матрицы к процессам выщелачивания грунтовыми водами: показатель выщелачиваемости матриц на силикатной основе на два-три порядка ниже, чем на цементной.

В целом, при консервации хранилищ применение технологии повторного омоноличивания РАО решает только часть задачи – восстановление исходной монолитности толщи отходов. Можно сказать, что это борьба со следствием, а не с причиной.

Многофункциональное покрытие

Окончательное решение задачи по консервации хранилища отводится многофункциональному покрытию, которое обеспечивает тепло- и гидроизоляцию толщи отходов.

Общая мощность покрытия определяется по данным теплотехнических расчетов и зависит, в основном, от климатических условий и применяемых конструкционных материалов. Определение конструкции верхнего инженерного барьера для условий средней полосы России базируется на следующих условиях:

  • глубина промерзания грунтов по многолетним наблюдениям составляет 1,4-2,2 м;
  • в качестве основных конструкционных материалов, на основе которых формируется покрытие, целесообразно использовать естественные грунты (тяжелые суглинки, глины).

После создания покрытия хранилище оборудуется наблюдательными скважинами для контроля температурного и гидродинамического режимов. Температура и уровень воды определяются по измерениям в специально пробуренной скважине, пройденной в толще покрытия и массиве отходов.

Как следует из рисунков 3 и 4, в оснащенном покрытием хранилище толща отходов в течение всего года находилась в поле положительных температур, за четыре года уровень воды в хранилище снизился практически до дна, что указывает на прекращение поступления в него атмосферных вод.

Таким образом, применение разработанного комплекса технологий позволяет надежно консервировать хранилища приповерхностного типа с последующим переводом их в статус объектов окончательной изоляции РАО.

Накопленный опыт применения комплексной технологии позволяет ориентировочно определить временные и финансовые затраты на ее реализацию. Например, повторное омоноличивание хранилищ ТРО объемом около 5000 м3 возможно провести за один теплый сезон года (с апреля по октябрь для средней полосы России). Такое же время необходимо для сооружения многофункционального покрытия. При этом суммарные финансовые затраты, необходимые на реализацию комплексной технологии, сопоставимы с затратами на строительство самого приповерхностного хранилища.

Условия выбора технологий

Возможны условия, при которых для консервации хранилищ достаточно использовать только технологию создания многофункционального покрытия.

Анализ геолого-гидрогеологических характеристик позволяет условно выделить два типа площадок размещения приповерхностных хранилищ. На площадках первого типа хранилища находятся в зоне аэрации (то есть расположены выше уровня воды первого водоносного горизонта), второго типа – в толще грунтового водоносного горизонта или в пределах верховодки (рис. 5).

В первом случае атмосферные воды проникают в толщу отходов, происходит их выщелачивание и далее происходит миграция радионуклидов в вертикальном направлении. Таким образом, определяющим фактором для возникновения миграции радионуклидов из хранилищ является поступление атмосферных вод. Поэтому в данных геолого-гидрогеологических условиях для обеспечения герметичности хранилища приповерхностного типа достаточно создания на поверхности хранилища многофункционального покрытия.

При расположении хранилища в зоне грунтовых вод или верховодки в выщелачивании отходов будут участвовать и атмосферные, и грунтовые воды. Миграция радионуклидов будет проходить в горизонтальном направлении с потоком грунтовых вод и в вертикальном под действием разности напоров уровней атмосферных и грунтовых вод. Поэтому, для обеспечения герметичности хранилища следует предварительно провести повторное омоноличивание отходов, чтобы снизить выщелачивание РАО фильтрационным потоком. Затем сооружается многофункциональное покрытие – для предотвращения поступления атмосферных вод и создания поля положительных температур в хранилище.

Следует отметить, что при обосновании выбора технологий консервации хранилищ необходимо проведение прогнозных расчетов миграции радионуклидов для различных вариантов. Они должны быть выполнены на основе использования математических моделей прогнозных расчетов на заданный период времени (300-500 лет).

Применение комплексной технологии повторного омоноличивания и многофункционального покрытия позволяет законсервировать и перевести в статус объектов окончательной изоляции все существующие (более тысячи) хранилища отвержденных РАО приповерхностного типа. Однако это приведет к созданию на территории страны соответствующего количества охраняемых площадок с длительным сроком существования (до 300 лет), где необходимо будет регулярно проводить мониторинг. Такие площадки могут стать угрозой окружающей среде и объектами террористических актов.

В связи с этим при обосновании технологии вывода из эксплуатации хранилищ РАО приповерхностного типа следует учитывать опасность объекта для окружающей среды, географическое положение и социальную значимость площадки, существующие объемы хранящихся отходов, геолого-гидрогеологические условия площадки, сейсмическую характеристику района и стабильность геологических структур.

Таким образом, в настоящее время реально существуют технологии вывода из эксплуатации хранилищ РАО приповерхностного типа. При определении очередности вывода из эксплуатации хранилищ необходимо принимать во внимание наличие имеющихся свободных объемов емкостей на площадке, перспективы ее использования для промежуточного длительного хранения отходов, эффективность существующей системы мониторинга, состояние технической готовности предприятия для выполнения необходимых работ по выводу из эксплуатации хранилищ.

Атомная энергия 2.0: свежие публикации

Прогрессивное цифровое СМИ атомной отрасли, выходящее в сотрудничестве со многими деловыми, научными, государственными, образовательными, общественными и экологическими организациями с 2008 года.