Федеральный объект окончательной подземной изоляции долгоживущих РАО на Горно-химическом комбинате

Важнейшими элементами единой государственной системы обращения с ОЯТ в России станут завод по переработке ОЯТ легководных реакторов на Горно-химическом комбинате и создаваемый в комплексе с ним федеральный объект захоронения высоко- и среднеактивных долгоживущих РАО в Нижнеканском скальном массиве. Этот объект будет использован для удаления РАО, полученных от переработки ОЯТ на ГХК, а также накопленных отходов, которые сегодня размещены во временных хранилищах.

Выбор площадки

Исследования в районе Нижнеканского массива с целью выбора перспективной площадки для создания объекта окончательной подземной изоляции РАО ведутся с начала 1990-х годов [1]. В 2005 году на основе их результатов была выделена площадка, на которой в дальнейшем рекомендовано проводить детальные инженерно-геологические изыскания [1,2]. Она расположена на участке «Енисейский» в 4 км от ГХК и 4,5 км от Енисея, в пределах ЗАТО Железногорска (рис. 1).

Для оценки обоснованности выбора площадки были проведены и сейчас продолжаются всесторонние исследования характеристик массива горных пород в районе предполагаемого строительства.

На основании выводов геологических организаций Красноярского края по результатам исследований 1992-2005 годов составлена сводная оценка перспективности участка «Енисейский». Согласно этой оценке:

• в пределах участка выявлен устойчивый, относительно однородный блок размером 2,0x2,5 км и вертикальной мощностью более 4 км, отвечающий требованиям к  размещению подземной геолого-геофизической лаборатории;
• геофизические поля над блоком не имеют контрастных аномалий;
• возраст пород на горизонте размещения подземных сооружений объекта – более 1800 млн лет, возраст подземных вод на глубинах более 200 м – около 7 тыс. лет;
• выделяемые разломы затухают с глубиной; они характеризуются слабоконтрастными аномалиями, что свидетельствует о «залеченности» дайковыми телами и отсутствии тектонической активности на современном этапе (это подтверждают результаты эманационной и гелиевой съемок);
• массив скальных пород характеризуется стабильным тектоническим режимом, что подтверждается полевыми наблюдениями ярусности рельефа, анализом топографических карт, данными геодезических замеров скоростей современных вертикальных движений земной поверхности; средняя скорость поднятий за последние 5 млн лет не превышает 0,08-0,09 мм/год (до 9 м за 100 тыс. лет); это соответствует платформенному типу развития территории и отражает ее слабую тектоническую активность;
• район характеризуется низкой сейсмической активностью: 6 баллов по шкале MSK-64 для грунтов второй категории по карте ОСР-97В, 7 баллов по уточненной карте ОСР-97D (максимальное расчетное землетрясение); для подземных сооружений, расположенных на глубинах более 400 м – соответственно 4 и 5 баллов.

Выполненные исследования позволили предварительно рекомендовать участок для дальнейших изысканий.

В 2008 году разработана и утверждена «Декларация о намерениях» строительства объекта окончательной подземной изоляции РАО [3]. С 2009 года ведется разработка «Обоснования инвестиций» на строительство объекта, в том числе «Оценки воздействия на окружающую среду» (ОВОС).

Инженерно-геологические изыскания

Комплексные натурные исследования длительной устойчивости подземных сооружений ГХК, в том числе в условиях длительного крупномасштабного теплового воздействия, проводятся с 1960 года [4].

Для обоснования выбора участка и площадки под строительство объекта окончательной изоляции РАО необходимо провести полный комплекс инженерно-геологических изысканий последовательно по «поисковой», а затем по «оценочной» стадии.

В 2009-2010 годах на рекомендованной площадке проведены комплексные инженерно-геологические изыс кания с использованием трех геологоразведочных скважин глубиной по 700 м. Результаты ранее выполненных исследований и данные изысканий 2009-2010 годов были представлены на экспертизу по «поисковой» стадии.

Получено положительное экспертное заключение ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых». Участок был в целом признан соответствующим рекомендациям МАГАТЭ и национальным требованиям (НП-055-04) и рекомендован для дальнейшего геологического изучения с целью окончательной оценки его пригодности для окончательной изоляции РАО. В заключении отмечено, что массив скальных пород на исследуемой площадке по изолирующим свойствам не уступает участкам в Швеции и Финляндии, где принято решение, в том числе при поддержке местного населения, создать объекты подземного захоронения ОЯТ [5].

К началу 2011 года с использованием 11 скважин (семи глубиной по 600-700 м и четырех по 200 м) выполнены инженерно-геологические изыскания с полным отбором керна и полным комплексом геофизических и гидрогеологических исследований, а также сейсмические исследования с поверхности и исследования напряженно-деформированного состояния массива пород в естественном состоянии на глубинах до 500 м. По их результатам определены следующие характеристики массива горных пород [6]:

• структурно-тектонические характеристики массива горных пород благоприятны для создания объекта захоронения долгоживущих РАО; массив характеризуется стабильным тектоническим режимом;
• породы относятся к категории от средне- до высокопрочных;
• выявленная трещиноватость связана с долгоживущими крутопадающими тектоническими нарушениями древнего заложения, имеющими крутые падения в восточных румбах; все трещины «залечены» карбонатным, полевошпатным материалом, кварцем;
• обнаруженные мелкие локальные зоны выщелачивания – пологопадающие, направлены вниз и по направлению от Енисея, заполнены каолиновым глинистым материалом; присутствия воды в них на глубинах 300-700 м не отмечается, что подтверждается результатами опытно-фильтрационных исследований;
• фильтрация подземных вод на глубинах ниже 250 м имеет нисходящий характер;
• подземные воды – слабощелочные (pH=7-9), что обеспечивает очень низкую растворимость долгоживущих трансурановых изотопов в подземных водах;
• планируемое расположение подземных сооружений объекта – на 120 м глубже местного базиса дренирования – русла Енисея, что исключает поступление подземных вод в поверхностные водные объекты; при этом коэффициенты фильтрации в диапазоне глубин от 360 до 650 м имеют очень низкие значения (до 6*10-4 м/сутки), характерные для водоупоров.

Рис. 2. Предварительная схема структуры массива пород на площадке расположения объекта (* – диапазон глубин расположения подземных сооружений объекта)

Гнейсовая толща горного массива (рис. 2) представляет собой систему плоскостей напластования, пологозалегающих в восточных румбах. Крутопадающие (под углами 65-70о) дайковые тела по физико-механическим характеристикам не уступают основным породам массива и делят площадь объекта на отдельные участки, между которыми затруднен водообмен.

Расстояния между дайками составляют от 10-30 м до 100-150 м.

Наличие сети крутопадающих даек существенно удлиняет протяженность потенциально возможных траекторий миграции радионуклидов и время пребывания фильтрующихся вод в ближней зоне объекта, что является благоприятным фактором с точки зрения обеспечения безопасности захоронения РАО. Увеличения водопритоков по контактам крутопадающих дайковых тел по данным буровых и опытно-фильтрационных работ не установлено.

Все отмечаемые трещины не имеют сквозного системного характера, а развиваются лишь на коротких интервалах по периферии участков развития метасоматических процессов.

До конца 2011 года планируется провести экспертизу ОВОС и региональные общественные слушания, утвердить «Обоснование инвестиций» и получить экспертное заключение ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых» по «оценочной» стадии изысканий о пригодности участка для строительства объекта захоронения РАО.

Основные технические решения по созданию объекта

Размеры предварительно рекомендуемой площади участка составляют около 1 км². Захоронение РАО предусматривается в диапазоне глубин 450-475 м от поверхности (соответствуют абсолютным отметкам 0.0 м и минус 25.0 м в балтийской системе).

Рис. 3. Схема-разрез расположения камер захоронения

Конструкция объекта представляет собой комплекс горных выработок: горизонтальные, вертикальные и камерные выработки для вентиляции, транспортирования грузов и оборудования, камеры вспомогательного назначения, а также камеры для захоронения контейнеров с долгоживущими ВАО и САО с незначительным тепловыделением и скважины для захоронения пеналов с остеклованными ВАО с высоким тепловыделением (рис. 3).

В рамках первой очереди объекта планируется безопасно захоронить остеклованные ВАО, накопленные на заводе РТ-1 ФГУП «ПО «Маяк», – около 4500 пеналов по три бидона в каждом.

Пеналы будут доставляться по железной дороге из ФГУП «ПО «Маяк» до перегрузочного пункта на ФГУП «ГХК» в большегрузных транспортно-упакочных комплектах, затем каждый пенал будет перевезен до скважины захоронения в перегрузочном контейнере массой 33 т с толщиной стенки 300 мм из высокопрочного чугуна.

Долгоживущие ВАО и САО с незначительным тепловыделением будут захораниваться в тонкостенных герметичных металлических контейнерах НМК объемом 1,5 м3 в горизонтальных выработках захоронения по секциям длиной 15-20 м. После установки контейнеров секция консервируется с применением цементно-бентонитовой смеси. До выработки захоронения контейнеры НМК будут доставляться в транспортных контейнерах из высокопрочного чугуна с толщиной стенок 75 мм.

До начала эксплуатации объекта отдельные виды экспериментальных работ, необходимых для оптимизации технических решений, будут выполнены в создаваемом филиале подземной лаборатории – специально выделенных отсеках в свободных подземных сооружениях ФГУП «ГХК». Здесь будут отработаны транспортно-технологические операции, технические решения по созданию инженерных барьеров, включая закладочные работы, и системы геомониторинга подземных сооружений, а в дальнейшем подготавливаться персонал для строительства и эксплуатации объекта захоронения РАО.

В процессе строительства подземных сооружений будут продолжаться натурные исследования характеристик массива горных пород непосредственно на горизонтах захоронения долгоживущих РАО, необходимые для подтверждения безопасности объекта на весь срок потенциальной экологической опасности отходов.

Предварительное обоснованиеэкологической безопасности

В соответствии с рекомендациями МАГАТЭ, нормативными документами России [7] и опытом комплексных исследований в подземных лабораториях, окончательная безопасная изоляция отходов должна быть обеспечена с использованием многобарьерной системы.

На первой стадии изолирующие функции будут выполнять инженерные барьеры. В результате их длительной коррозии в ближней зоне объекта будет формироваться геохимический барьер, обеспечивающий надежную локализацию радионуклидов, выщелачиваемых из кондиционированных РАО, вследствие низкой растворимости радионуклидов в восстановительной обстановке и высоких сорбционных свойств продуктов коррозии железа. Благоприятные условия в массиве вмещающих пород обеспечат безопасную локализацию РАО в ближней зоне объекта даже с учетом потенциально возможных аварийных ситуаций.

Для оценки экологической безопасности создания объекта были выполнены расчеты по определению максимальных расстояний возможной миграции наиболее экологически опасных долгоживущих радионуклидов, содержащихся в захораниваемых отходах – плутония, нептуния, америция, технеция, ¹³⁵Cs.

По предварительным оценкам на основании математического моделирования сорбционно-миграционных процессов, размеры ореолов распространения в зонах выщелачивания загрязненных подземных вод с потенциально экологически опасным содержанием радионуклидов не превысят 100 м. С учетом характеристик вмещающих пород и нисходящего характера фильтрации подземных вод, радионуклиды заведомо не выйдут в сферу жизнедеятельности человека в течение всего срока потенциальной экологической опасности.

Массив скальных пород в районе участка «Енисейский» характеризуется стабильным тектоническим режимом, поэтому в ближайшие миллионы лет не ожидается значительных изменений выявленных характеристик массива и гарантируется экологическая безопасность объекта.

Результаты натурных и лабораторных исследований, в совокупности с прогнозным математическим моделированием сорбционно-миграционных процессов в многобарьерной системе изоляции долгоживущих ВАО и САО, будут использованы для оптимизации проектных решений и обеспечения безопасной локализации отходов в пределах ближней зоны объекта.

Безопасная окончательная изоляция долгоживущих отвержденных ВАО и САО в глубоких геологических формациях в слабопроницаемом массиве скальных пород позволит:

• освободить будущие поколения от бремени обращения с такими отходами;

• значительно улучшить экологическую обстановку на промплощадках предприятий отрасли, в первую очередь, на ФГУП «ПО «Маяк»;

• исключить огромные затраты на хранение накопленных долгоживущих ВАО и САО во временных приповерхностных хранилищах;

• обеспечить реализацию заключительной стадии ядерного топливного цикла –  безопасное захоронение отвержденных фракций ВАО и САО от будущей переработки ОЯТ.

Авторы

Н.Ф. Лобанов, к.т.н., В.П. Бейгул, к.т.н., Е.Н. Камнев, д.т.н., П.В. Лопатин, к.т.н. (ОАО «ВНИПИпромтехнологии»),

Ю.А. Ревенко, к.т.н., И.В. Шрамко (ФГУП «Горно-химический комбинат»)

Литература

1. Андерсон Е.Б. Результаты комплексных геологических исследований Нижнеканского массива для обоснования возможности его использования для захоронения отвержденных радиоактивных отходов / Е.Б. Андерсон, В.М. Даценко, Е.Ф. Любцева, В.Л. Миловидов и др. // Материалы КНТС «Исследования гранитоидов Нижнеканского массива для захоронения РАО», г. Железногорск, 1998. – СПб. – 1999.
2. Гупало Т.А. Разработка обобщенного плана проведения научно-исследовательских и проектно-изыскательских работ по созданию объекта подземной изоляции РАО в Нижнеканском массиве / Т.А. Гупало, В.П. Бейгул, В.Л. Миловидов и др. // Проект МНТЦ №2377P, 2002-2005 гг. Итоговый отчет. – М.: ВНИПИпромтехнологии. – 2005.
3. «Декларация о намерениях» строительства первоочередных объектов окончательной изоляции радиоактивных отходов (Красноярский край, Нижнеканский массив), 2008.
4. Гупало Т.А. Разработка количественных критериев пригодности скального массива для безопасного длительного хранения отходов от производства оружейного плутония на примере подземного комплекса Красноярского горно-химического комбината / Т.А. Гупало, В.П. Бейгул, Н.И. Селезнев и др. // Проект МНТЦ №307В-97, 1997-2001 гг. Итоговый отчет. – М.: ВНИПИпромтехнологии. – 2001.
5. Омельяненко Б.И. Экспертное заключение по отчету «Геологические исследования (поисковая стадия) объекта окончательной изоляции радиоактивных отходов на Нижнеканском массиве» (участок «Енисейский»).– М.: ФГУ «ГКЗ». – 2010.
6. Лобанов Н.Ф. Состояние работ и основные технические решения по созданию федерального объекта окончательной подземной изоляции радиоактивных отходов (Красноярский край, Нижнеканский массив) / Н.Ф. Лобанов, В.П. Бейгул, И.В. Шрамко, А.Ю. Озерский и др. // Материалы V Международного ядерного форума «Безопасность ядерных технологий: стратегия и экономика безопасности», Санкт-Петербург, 27.09-01.10.2010. – Спб. – 2010.
7. Захоронение радиоактивных отходов. Принципы, критерии и основные требования безопасности (НП-055-04).