ПЗРО в Приволжском федеральном округе: предпроектные работы

Статьи

22 марта 2013

213

В результате выполнения предпроектных работ по созданию пункта захоронения низко- и среднеактивных РАО в Приволжском федеральном округе накоплен ценный опыт по привязке конструктивных особенностей объектов окончательной изоляции к конкретным геологическим формациям, который может и должен быть использован в дальнейшем при реализации программы создания ЕГС РАО.

Предпосылки создания ПЗРО

В большинстве стран, имеющих атомную энергетику, в соответствии с общепризнанной концепцией обращения с радиоактивными отходами эксплуатируются или разрабатываются сооружения для окончательной изоляции (захоронения) кондиционированных РАО, образующихся на объектах использования атомной энергии. Мировой опыт захоронения короткоживущих низко- и среднеактивных отходов представлен сооружениями приповерхностного типа: наземными и заглубленными. Для захоронения высокоактивных отходов разрабатываются сооружения в глубоких геологических формациях.

Наземные пункты захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО) низкого и среднего уровня активности, содержащих короткоживущие радионуклиды, эксплуатируются в Испании, Франции, проектируются в Бельгии и Литве. Заглубленные пункты захоронения эксплуатируются в Швеции, Финляндии, Германии, проектируются в Бельгии, Швейцарии и других европейских странах.

В Российской Федерации вопрос создания пунктов захоронения радиоактивных отходов для короткоживущих низко- и среднеактивных радиоактивных отходов, образующихся на объектах использования атомной энергии, так или иначе, рассматривался с начала 90-х годов прошлого века.

Острота проблемы обращения с радиоактивными отходами заключается в том, что на сегодняшний день реализованы в промышленном масштабе только стадии переработки ЖРО, частично переработки ТРО и временного хранения как кондиционированных, так и не кондиционированных отходов. Технология хранения, осуществляемая по различным сценариям, иногда ведется по проектам 1960-1970-х годов, часто без возможности извлечения отходов, и не всегда отвечает современным требованиям безопасности. Заключительный этап обращения с РАО – их захоронение – пока не доведен до промышленной реализации. Сложившаяся в России практика строительства для отходов низкого и среднего уровней активности новых очередей хранилищ, по мере заполнения имеющихся, не является альтернативой захоронению и позволяет только отложить этот вопрос, увеличивая количество объектов, требующих пристального внимания в ходе эксплуатации. Стоит отметить, что фактически потребность во временных хранилищах для указанных категорий отходов обусловлена скорее не технологической необходимостью, а отсутствием ПЗРО.

Необходимость строительства ПЗРО обусловлена:

программой создания Единой государственной системы обращения с радиоактивными отходами (ЕГС РАО) в части, касающейся Госкорпорации «Росатом» и ее организаций;
эффективностью мер по снижению риска радиационного воздействия на население и окружающую среду за счет сокращения количества пунктов временного хранения РАО;
реализацией стратегии окончательной изоляции как наиболее безопасной финальной стадии обращения с РАО в духе Объединенной конвенции о безопасности обращения с отработавшим ядерным топливом и безопасности обращения с радиоактивными отходами.

Проект ПЗРО должен отвечать целому ряду обязательных требований, таких как:

обеспечение радиационной защиты работников (персонала) и населения от ионизирующего излучения, предотвращение распространения радионуклидов за пределы площадки;
радиационное воздействие, связанное с эксплуатацией ПЗРО, должно поддерживаться на максимально низком достижимом уровне с учетом экономических и социальных факторов (принцип оптимизации);
захоронение РАО должно осуществляться в соответствии с принципом невозложения чрезмерного бремени ответственности на будущие поколения в сочетании с принципом защиты будущих поколений;
снижение рисков выхода радионуклидов за пределы объекта и полное исключение возможности проявления негативных воздействий на биосферу и среду обитания человека достигается благодаря применению многобарьерной системы инженерной защиты в сочетании с природными барьерами безопасности.

Выбор площадки для строительства ПЗРО

Одним из ключевых вопросов при принятии решения о строительстве ПЗРО является оценка вариантов и выбор его географического месторасположения.

Основным критерием при выборе места размещения объекта должна являться минимизация воздействия локализованных в ПЗРО РАО на экологию и население региона. Наиболее перспективную по параметрам безопасности площадку предполагаемого строительства объекта необходимо выбирать на основе сравнения следующих альтернативных характеристик:

геологические и гидрогеологические условия, обеспечивающие надежность природных барьеров;
минимально необходимая площадь земельного отвода, определяющая территорию возможной санитарно-защитной зоны;
удаленность от поверхностных водотоков и водозаборов;
минимальная плотность населения и степень удаленности от крупных населенных пунктов.

В 2010 году в качестве альтернативных были рассмотрены промышленные площадки Казанского, Нижегородского, Башкирского, Самарского и Саратовского отделений филиала «Приволжский территориальный округ» ФГУП «РосРАО» в границах их действующих земельных отводов.

Оценка возможности размещения ПЗРО в пределах площадок филиалов ФГУП «РосРАО» в Приволжском федеральном округе проводилась на основании геологических, гидрогеологических и географических характеристик, а также социально-административных условий расположения объектов.

Выделение перспективных геологических формаций проведено на основе сопоставления изоляционных свойств горных пород, слагающих геологический разрез площадок. При этом более перспективными считались породы с меньшей водопроницаемостью (глины и суглинки), поскольку этим показателем в основном определяются качества среды, локализующие радионуклиды и препятствующие распространению радиоактивного загрязнения.

В районах расположения Казанского и Нижегородского отделений филиала «Приволжский территориальный округ» ФГУП «РосРАО» отсутствуют геологические формации, способные обеспечить приемлемый уровень долговременной радиационной безопасности крупномасштабного ПЗРО. По этой причине данные площадки были исключены из дальнейшего рассмотрения.

Площадка Башкирского отделения филиала «Приволжский территориальный округ» ФГУП «РосРАО» ввиду малой площади горного отвода, наличия свидетельств активных эрозионных процессов и территориальной близости водотоков, служащих объектом разгрузки грунтовых вод площадки, также не может рассматриваться как перспективная.

Анализ геологических условий районов расположения площадок Самарского и Саратовского отделений филиала ФГУП «РосРАО» позволяет (с большой долей вероятности) предположить возможность реализации проекта.

В геологическом разрезе площадки Самарского отделения филиала ФГУП «РосРАО» непосредственно под почвенным слоем на глубине 1,5-2 м залегают буровато-коричневые комковатые тяжелые плотные глины, мощностью до 54 м, с частыми прослоями песка, мощность которых достигает 5 м. Ниже залегают комковатые плотные темно-коричневые и темно-серые глины и суглинки мощностью в среднем 35 м, также переслаивающиеся с пластами песков толщиной до 5 м, под которыми расположены темно-серые плотные песчанистые глины мощностью 35 м с прослоями и линзами песка мощностью до 15 м.

Пласты горных пород на рассматриваемых площадках представлены аналогичными по генезису породами – глинистыми отложениями, перекрытыми слоями супесей и суглинков. Это позволяет предполагать идентичность параметров физико-химического взаимодействия (сорбции) мигрирующих радионуклидов с вмещающими породами и не дает возможности делать выводы по приоритетности какой-либо из площадок с точки зрения сорбционных изолирующих свойств горных пород.

Также необходимо отметить, что неоднородность пластов пород диктует дополнительные требования к конструкции ПЗРО, необходимость работ по отведению больших объемов грунтовых вод и повышению устойчивости грунтов в процессе строительства. Это, в свою очередь, влечет удорожание расчетной стоимости проекта.

Варианты конструкции ПЗРО

В ходе подготовительных работ по созданию ПЗРО для низко- и среднеактивных РАО в Приволжском федеральном округе были рассмотрены следующие потенциально возможные конструкции объекта:

заглубленный ПЗРО котлованного типа;
заглубленный ПЗРО с размещением в вертикальных стволах;
заглубленный приповерхностный ПЗРО;
наземный ПЗРО.

На рисунке 1 схематически изображены модули ПЗРО различных типов. При этом их принятая вместительность и, соответственно, количество модулей для захоронения 150 тыс. м³ упаковок с РАО существенно различаются.

Рис. 1. Принципиальные схемы перспективных конструкций региональных ПЗРО (желтый цвет – размещение НАО и ОНАО, красный – размещение САО)

Очевидно, что не все из рассматриваемых конструкций могут быть сооружены в изученных горных породах, представленных терригенными глинами, залегающими на площадках ФГУП «РосРАО» в Приволжском федеральном округе. Вместе с тем, обязательное размещение модулей захоронения в границах обозначенной перспективной толщи горных пород необходимо только для локализации среднеактивных отходов (САО). Поэтому использование данных конструкций может быть обосновано для захоронения РАО низкого и особо низкого уровня активности, если такое решение будет более экономически эффективным.

На основе результатов комплексной оценки проектируемых сооружений по укрупненным экономическим, экологическим и технологическим параметрам было установлено, что для захоронения 150 тыс. м³ РАО в качестве наиболее перспективных конструкций можно рассматривать ПЗРО котлованного или заглубленного модульного типов без крепления бортов в супесчаных и глинистых отложениях.

Рис. 2. Общий вид котлована (1, 2, 3, 5, 4, 9, 10 – инженерно-геологические элементы)

Объект котлованного типа

Основными параметрами котлована (рис. 2) являются:

высота уступа;
ширина заходки;
ширина рабочей площадки;
протяженность фронта горных работ.

При сооружении котлована глубиной более 10 м борт разбивается на горизонтальные слои (уступы). Общее направление ведения горных работ – сверху вниз горизонтальными подуступами, продольными и поперечными заходками. Высота уступов принята, исходя из необходимости обеспечения безопасных условий ведения горных работ при максимально допустимых углах откосов уступов и максимально возможной высоты штабеля упаковок с РАО.

Размещение РАО в пункте захоронения котлованного типа предполагается выполнять по следующей схеме. Упаковки с РАО размещаются в отсеках для захоронения, разделенных железобетонными перегородками. Пространство между контейнерами по мере их установки в штабель заполняется песком, после чего возводится перегородка со стороны въезда в отсек. Загрузка на одном горизонте ведется последовательно (то есть загрузка следующего отсека начинается после полного закрытия предыдущего).

В вертикальном направлении – четыре горизонта – загрузка ведется снизу вверх. Пространство между верхними рядами контейнеров и границей отсека в вертикальном направлении заполняется разработанным при проходке котлована глинистым грунтом.

Учитывая габаритные размеры планируемых к поступлению упаковок с РАО, оптимальные размеры рабочей секции в плане составят 14,5x18,1 м в ширину и длину, соответственно, при объеме одной секции 1968,38 м³. В такую рабочую секцию помещается 252 контейнера НЗК-150-1,5П с объемом захоронения 932,4 м³ упакованных РАО или 594 контейнера КРАД-1,36 объемом 873,18 м³ РАО (рис. 3).

Рис. 3. Размеры секции для захоронения упаковок РАО в ПЗРО котлованного типа

ПЗРО заглубленного приповерхностного типа

Конструкция такого объекта предполагает сооружение 25 модулей траншейного типа для захоронения РАО (рис. 4). Каждый модуль рассчитан на прогнозируемое годовое поступление РАО в объеме 6000 м³.

Для обеспечения отвода дождевых вод дно выемки выполняется с уклоном 1-1,5%.

Захоронение РАО в приповерхностном заглубленном ПЗРО ведется параллельно тремя фронтами работ. Упаковки с РАО устанавливаются в рабочий модуль и по мере заполнения забутовываются песком. После забутовки пространства между упаковками возводится верхний защитный экран.

Расчетным путем установлено, что оптимальным вариантом является заполнение модуля 2722 контейнерами КРАД или 535 контейнерами НЗК, установленными в ярусы (рис. 5).

Рис. 5. Поперечное сечение модулей с различными типами контейнеров

Контейнеры размещаются таким образом, чтобы верхние обрезы ярусов были ниже бровки модуля на 730 мм. При такой компоновке, с учетом требования по одинаковой высоте ярусов для различных типов контейнеров, расчетная глубина модуля составляет 6,9 м.

ПЗРО заглубленного приповерхностного модульного типа – наиболее простое сооружение, как для строительства, так и для эксплуатации (укладки контейнеров) с использованием традиционных механизмов. К его недостаткам относится уязвимость при экстремальных природных явлениях, техногенных катастрофах, боевых действиях и т.д. Однако этот недостаток компенсируется возможностью быстрого и относительно несложного проведения ремонтных работ, обеспечения интенсивности загрузки и закрытия модулей – таким образом, снижается влияние неблагоприятных факторов.

Наименьшее по сравнению с котлованом количество упаковок в рабочей зоне снижает радиационную нагрузку на персонал при установке контейнеров на захоронение и тем самым исключает необходимость разделения рабочего пространства на отсеки, отделенные друг от друга железобетонными перегородками, – а следовательно, значительно упрощает технологию загрузки и снижает стоимость захоронения.

Меньшая по сравнению с котлованом площадная характеристика единичного модуля упрощает технологию создания верхних инженерных барьеров и снижает радиационную нагрузку на персонал при закрытии модуля.

Возможность создания верхнего укрывного покрытия в эксплуатационный период над всей площадью модульного ПЗРО заглубленного типа уменьшает влияние неблагоприятных атмосферных явлений на процесс захоронения РАО.

На основании вышеизложенного, а также по результатам анализа, проведенного в ходе выполнения работ, предпочтительной конструкцией признан ПЗРО с размещением РАО в модулях траншейного типа.

Создание защитных инженерных барьеров

В соответствии с нормативными требованиями при штатном функционировании объектов окончательной изоляции безопасность захоронения обеспечивается инженерными барьерами на весь период потенциальной опасности РАО. При нештатных аварийных ситуациях, которые могут привести к частичной или полной потере инженерными барьерами изоляционных свойств, роль барьера на пути распространения радионуклидного загрязнения в область жизнедеятельности человека возлагается на геологическую среду, вмещающую объект захоронения РАО (естественный геологический барьер).

Рис. 6. Состав инженерных барьеров

Перед укладкой контейнеров с РАО модуль оборудуется инженерными барьерами (рис. 6). Традиционным, проверенным в многочисленных хранилищах, как химических, так и радиоактивных отходов, является барьер из мятой глины. В настоящее время широко используются пленочные барьеры (геомембраны), комбинированные (Bentomat), порошковые («Натлен») и т.д. В основном все указанные виды барьеров – гидроизолирующие и в меньшей степени сорбирующие, за исключением мятой глины, которая обладает низкой проницаемостью (Кф = 10-4-10^-5 м/сут) и значительной сорбционной способностью (например, для ¹³⁷Cs – до 2000 мг/г).

На стадии предварительного рассмотрения и оценки для нижнего и боковых экранов (барьеров) можно использовать глину толщиной 500 мм. Перед укладкой глиняного экрана производится выравнивание и уплотнение днища траншеи и боковых стенок. Поверх мятой глины в основание траншеи для защиты ее от повреждения транспортом укладывается песчано-щебеночная смесь толщиной 150-200 мм.

Жизненный цикл ПЗРО

Условно жизненный цикл ПЗРО можно разбить на несколько независимых этапов, для которых характерны различные виды и уровни воздействий на окружающую среду. К основным этапам относятся:

строительство объектов инфраструктуры, основных зданий и сооружений, обеспечивающих работу ПЗРО;
создание горных выработок различной формы для размещения РАО, включающее вскрытие неперспективных для захоронения толщ горных пород, с организацией складирования (отвального хозяйства) вскрышных пород;
эксплуатация ПЗРО, в ходе которой осуществляется доставка РАО на площадку, их загрузка в модули захоронения и закрытие модулей для обеспечения надежной локализации РАО; эксплуатация ПЗРО завершается при закрытии последнего модуля, после этого производится закрытие всего ПЗРО и демонтаж основных систем, зданий и сооружений, кроме объектов, необходимых для мониторинга ПЗРО в постэксплуатационный период;
постэксплуатационный период – время существования объекта захоронения с момента его закрытия до истечения периода потенциальной опасности размещенных в нем РАО (не менее 500 лет); в этот период объект сохраняет потенциальную радиационную и экологическую опасность, а по его истечению объект безопасен.

Особую актуальность при строительстве опасных производственных объектов приобретает проблема удаления и складирования, а в дальнейшем утилизация и захоронение отходов производства. Промышленные отходы требуют для складирования не только определенных площадей (полигонов), но и загрязняют (при наличии в них испаряющихся или растворяющихся вредных веществ или мелкодисперсных частиц) атмосферу, территорию, поверхностные и подземные воды.

Неизбежной и неотъемлемой частью процесса захоронения РАО является образование вторичных низкоактивных жидких отходов: дезактивационных растворов, жидких отходов спецпрачечных, санпропускников и т.д., а также загрязненных дренажных вод. Для минимизации воздействия на окружающую среду, производственный персонал и население предусматривается переработка и кондиционирование вторичных ЖРО в цементный компаунд непосредственно на площадке с их последующим захоронением.