Билибинская АЭС: возможности создания опытно-промышленного объекта подземной изоляции ОЯТ и ТРО в толще многолетнемерзлых пород

Статьи

07 марта 2014

Опытно-промышленный объект подземной изоляции ОЯТ и ТРО Билибинской АЭС предназначен для их вывода из сферы активной жизнедеятельности на весь срок потенциальной опасности. Объект должен обеспечивать экологически безопасную, технически надежную и экономически приемлемую изоляцию ТРО и ОЯТ, накопленных за время эксплуатации станции, а также твердых РАО, образующихся при выводе ее из эксплуатации.

Вывод из эксплуатации энергоблоков АЭС после выработки проектного срока службы – естественный и необходимый этап их жизненного цикла. Он предполагает проведение комплекса мероприятий, в результате которых после удаления ядерного топлива исключается использование блока в качестве энергоисточника, а следовательно – удаление и изоляцию отработавшего ядерного топлива и образовавшихся радиоактивных отходов.

11 июля 2011 года вступил в силу Федеральный закон РФ № 190-ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Согласно его требованиям (статья 12), РАО подлежат обязательному захоронению в пунктах окончательной изоляции. Для высокоактивных РАО законодательство предписывает захоронение в глубоких геологических формациях (пунктах глубинного захоронения на глубине несколько сот метров). Окончательная изоляция твердых низко- и среднеактивных короткоживущих РАО может осуществляться в пунктах приповерхностного захоронения.

Федеральная целевая программа «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года» (пункт 197) включает проект «Повышение безопасности хранения ранее накопленного отработавшего ядерного топлива, подготовка к вывозу накопленного топлива реакторов ЭГП-6 Билибинской АЭС». В 2010 году проектный офис «Создание системы обращения с ОЯТ и ВЭ ЯРОО» Госкорпорации «Росатом» при подготовке технических требований для проведения конкурса на реализацию этого проекта одним из направлений определил мероприятие «Создание опытно-промышленного объекта (ОПО) подземной изоляции ОЯТ и ТРО в толще многолетнемерзлых пород в зоне размещения Билибинской АЭС» (на стадии обоснований инвестиций). Работы были выполнены в 2011 году ОАО «ВНИПИпромтехнологии» на основании заключенного с Госкорпорацией «Росатом» государственного контракта.

Билибинская АЭС

Билибинская АЭС (БиАЭС) состоит из четырех одинаковых энергоблоков общей электрической мощностью 48 МВт, каждый из которых оснащен канальным водографитовым ядерным реактором ЭГП-6.

Первый блок БиАЭС был пущен 12 января 1974 года, четвертый – 30 декабря 1976 года. При проектном сроке эксплуатации (около 30 лет) остановки первого и четвертого блоков должны были состояться в 2003 году и в 2006 году соответственно. По оценкам специалистов, при модернизации с проведением необходимых технических мероприятий возможно продление срока эксплуатации БиАЭС до 40-45 лет (до 2019-2020 годов).

По прогнозам, к концу эксплуатации станции на ней будет накоплено в общей сложности 8241 ОТВС; все ОЯТ хранится в приреакторных бассейнах выдержки. Объем эксплуатационных ТРО составит около 10 800 м³. Количество радиоактивных отходов, которые могут образоваться при выводе БиАЭС из эксплуатации, будут определяться техническими решениями, предусмотренными объектовой концепцией вывода из эксплуатации. При этом принципиально важным решением будет выбор технологии обращения с облученным графитом кладки реакторов.

Специфика Билибинской АЭС определяется следующими факторами:

только на БиАЭС используются реакторы типа ЭГП-6;
БиАЭС является основным источником электроэнергии в изолированной Чаун-Билибинской энергосистеме и единственным источником тепла в системе теплоснабжения города Билибино и собственно станции;
станция расположена в отдаленном, малонаселенном регионе России, в зоне заполярной тундры с вечномерзлой почвой;
регион отличается экстремальными климатическими условиями: восемь-девять месяцев зимы с чрезвычайно низкой (до -50°С и ниже) температурой воздуха и сильными длительными метелями;
регион в целом не имеет стабильных транспортных коммуникаций, связывающих его с остальной частью страны: все перевозки осуществляются морским транспортом через порты Певек и Зеленый Мыс в течение периода навигации и по зимникам от портов до города Билибино.

Техническая возможность вывоза ОТВС Билибинской АЭС на переработку имеется, но является затратной и длительной процедурой, включающей такие потенциально опасные этапы, как авиационная транспортировка и/или перевозки автомобильным транспортом на значительные расстояния. Готовая транспортная инфраструктура, обеспечивающая транспортировку ОТВС, на настоящий момент отсутствует. С учетом изложенного, Госкорпорацией «Росатом» принято решение о проработке вариантов окончательной изоляции ОЯТ и РАО БиАЭС в многолетнемерзлых горных породах (ММГП) в районе размещения этой станции.

Основными доводами в пользу предлагаемого варианта являются:

низкие скорости физико-химических процессов (миграции, коррозии и т.д.) при низких температурах в криолитозоне, что подавляет миграцию радионуклидов за пределы рабочего объема объекта изоляции в окружающую среду в течение всего срока потенциальной опасности ОЯТ и РАО;
возможность строительства объекта и ввода его в эксплуатацию в приемлемые сроки модульным способом.

Многолетнемерзлые горные породы

В ОАО «ВНИПИпромтехнологии» в начале 1990-х годов была разработана концепция использования многолетнемерзлых горных пород для подземной локализации РАО. Концепция была рассмотрена и одобрена Госкомприроды СССР, 3-им Управлением Минздрава СССР, Госпроматомнадзором, Радиохимической секцией НТС Минатомэнергопрома СССР и другими специализированными организациями.

Положения концепции легли в основу метода подземной изоляции РАО в многолетнемерзлых горных породах, суть которого заключается в следующем:

объект захоронения размещается в северных геокриологических районах, где многолетнемерзлые горные породы представляют собой криогенный водоупор, не содержат внутримерзлотных вод и, тем самым, естественным образом исключают миграционные процессы в рабочем блоке горного массива;
ландшафтно-климатические условия и глубина подземной локализации РАО выбираются таким образом, чтобы процессы сезонного протаивания грунтов и развития мерзлотно-геологических и климатических явлений не оказывали влияния на центр локализации РАО;
постоянное во времени термодинамическое природное состояние многолетнемерзлых горных пород используется в качестве естественного теплофизического барьера против тепловыделения РАО.

В условиях Билибинской АЭС наиболее приемлемой средой для захоронения РАО и ОЯТ как раз и служат многолетнемерзлые породы.

Обоснование возможности создания пункта подземной изоляции

Прогноз естественных изменений климата и состояния мерзлоты на период необходимой изоляции РАО и ОЯТ (до нескольких тысяч лет) является ключевым звеном при принятии решения об использовании уникальных изолирующих и консервирующих свойств вечной мерзлоты в качестве рабочей толщи объекта изоляции РАО.

Колебания температуры в северных районах влияют, главным образом, на характер сезонных протаиваний и промерзаний. Изменение температур пород на глубине нулевых колебаний (на 12-15 м) невелико и не превышает 1^oС. Это значит, что колебания климата за последние 2000 лет не оказывали существенного воздействия на мерзлую толщу и не меняли ее состояния.

В последние годы широко распространилось мнение, что в XX веке хозяйственная деятельность человека оказывает определенное влияние на климатические условия, в частности, приводит к росту концентрации углекислого газа в атмосфере. Неизбежно возникающий при этом парниковый эффект должен привести к разогреву Земли и потеплению климата. Количественная составляющая механизма антропогенного влияния на климат планеты пока не разработана.

Оценки показывают, что время потенциальной опасности РАО и ОЯТ БиАЭС значительно меньше криогенного возраста горных пород. Именно это обстоятельство и дает основание рассматривать многолетнемерзлые горные породы как одну из наиболее благоприятных геологических формаций для локализации РАО и ОЯТ, которая естественным образом сохраняет свои криогенные свойства в течение промежутка времени, необходимого для полного распада радионуклидов.

Предполагаемый район размещения опытно-промышленного объекта подземной изоляции ОЯТ и ТРО

Выполненные анализ и оценка исходных данных подтвердили соответствие инженерно-геологических, гидрогеологических, геокриологических и геолого-экологических условий района расположения Билибинской АЭС концепции подземной изоляции ОЯТ и РАО в многолетнемерзлых горных породах. Отсутствие во вмещающей геологической среде воды в свободном состоянии обеспечит замедление окислительно-восстановительных реакций в ММГП, и следовательно, увеличит время работоспособности инженерных барьеров, которое намного больше времени восстановления средних температур ММГП. В таких природных условиях перенос радионуклидов из рабочего объема пункта изоляции произойдет лишь в форме диффузии, что при отсутствии водообмена в условиях многолетней мерзлоты не приведет к загрязнению окружающей среды ввиду чрезвычайно малых скоростей этого процесса. Мультибарьерная инженерная защита обеспечит локализацию области возможного распространения радионуклидов из захоронения в течение периода оттаивания.

В рамках работы выполнен анализ теплофизических и термомеханических режимов при размещении ОЯТ в пунктах глубинного захоронения в районе размещения БиАЭС (в скважинах и выработках при штольневом вскрытии). Исследования показали, что прогнозируемые в будущем отклонения среднегодовой температуры многолетнемерзлых пород от среднемноголетнего значения в результате естественноисторической динамики климата не превысят 1-2оС и не приведут к существенным изменениям температурного состояния многолетнемерзлых пород.

Согласно картам ОСР-97-В и ОСР-97-D в НП-031-01 «Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций», для средних грунтовых условий по сейсмическим свойствам (грунты II категории по СНиП 11-7-81 «Строительство в сейсмических районах») величины интенсивности землетрясений для района строительства объекта захоронения РАО и ОЯТ следующие:

проектное землетрясение – 6 баллов;
максимальное расчетное землетрясение – 8 баллов.

Однако при наличии на площадке строительства объекта плотных грунтов (I категория), величины ожидаемых сейсмических воздействий могут быть приняты равными 5 баллам и 7 баллам соответственно.

Рассматриваемая площадка может в целом считаться пригодной для размещения объекта окончательной изоляции. В дальнейшем для уточнения сейсмичности района строительства объекта необходимо проведение работ по геофизическому мониторингу района, а также сейсмическому микрорайонированию.

Полученные материалы будут использованы в дальнейшем для осуществления мероприятий по уточнению оценки безопасности при эксплуатации объекта.

Требования к участку захоронения

Основные критерии выбора участка для размещения объекта окончательной изоляции ОЯТ и ТРО следующие:

наличие монолитного блока ММГП мощностью от 250-450 м и площадью, достаточной для создания пункта захоронения, рассчитанного на 20 лет эксплуатации, с учетом отчуждения земель горного отвода;
отсутствие экономического и сельскохозяйственного освоения района и незначительные перспективы его освоения в будущем;
отсутствие запасов минерального сырья, продуктивных подземных вод и других ресурсов, добыча которых может представлять потенциальный интерес в будущем;
возможность организации на территории объекта режима, исключающего несанкционированный доступ людей к отходам;
удовлетворительные подъездные пути и относительная близость к АЭС.

Конструкция выработок

Конструкция пункта окончательной изоляции ОЯТ и ТРО должна отвечать таким требованиям, как:

надежная изоляция ОЯТ и ТРО на весь период их потенциальной опасности;
ядерная безопасность окончательной изоляции ОЯТ;
радиационная безопасность захоронения ОЯТ и ТРО;
исключение или минимизация проникновения воды в массив отходов;
устойчивость и безопасность при возникновении природных катаклизмов;
технологичность строительства с использованием существующих методов и оборудования;
дистанционное управление загрузкой отходов (при необходимости);
исключение или максимальное затруднение возможности несанкционированного проникновения внутрь объекта;
применение мультибарьерной инженерной защиты для исключения распространения радионуклидов за пределы зоны локализации ОЯТ и ТРО.

Упаковки и контейнеры ОЯТ и РАО различных категорий должны быть унифицированы по размерам.

В рамках работ разработаны типы и конструкции выработок для окончательной изоляции ОЯТ и ТРО. Низкоактивные отходы возможно захоранивать в траншеях либо выработках штольневого типа. Среднеактивные и высокоактивные РАО захораниваются в выработках штольневого типа. Подземная изоляция ОЯТ и сопутствующих ВАО может быть осуществлена в скважинах большого диаметра либо в выработках штольневого типа.

Принципиальная конструкционная схема пункта окончательной изоляции ОЯТ и ТРО

Принципиальная схема скважины захоронения чехлов длительного хранения с ОЯТ (Ø450 мм) и ВАО (Ø486 мм)

В настоящее время в России ОЯТ хранят, в основном, в приреакторных бассейнах выдержки и наземных хранилищах отработавшего ядерного топлива на территории АЭС («мокрое» и «сухое» хранение). Подземного захоронения ОЯТ до сих пор не производилось, и нормативная база для такого вида деятельности еще не разработана.

При выполнении работ исходили из условия, что конструкция подземных горных выработок позволит, при небольшой корректировке, использовать их для хранения ОЯТ до момента создания полной нормативной базы по обращению с отработавшим ядерным топливом. В случае принятия решения о переработке этого ОЯТ предусмотрена возможность его извлечения.

Выполненные теплофизические расчеты, расчеты по ядерной и радиационной безопасности и радиоэкологический прогноз свидетельствуют, что горные выработки, пройденные в многолетнемерзлых породах, могут считаться наиболее безопасными для окружающей среды и населения для обоих вариантов обращения с ОЯТ – как захоронения, так и хранения.

Воздействие на окружающую среду, ядерная и радиационная безопасность

В ходе работ выполнена оценка воздействия опытно-промышленного объекта на окружающую среду на всех этапах его жизненного цикла, таких как строительство пускового комплекса, строительство и эксплуатация объекта, его закрытие и постэксплуатационный мониторинг. Определены количественные и качественные характеристики газоэрозольных выбросов, учтен радиационный фактор, определены параметры ионизирующего излучения. Составлен перечень возможных проектных и запроектных аварий, разработаны мероприятия по их локализации для обеспечения радиационной безопасности персонала и населения.

Принятая транспортно-технологическая схема обращения с ОЯТ и ТРО минимизирует или полностью исключает операции, которые могут привести к аварии. Кроме того, предполагается максимальная автоматизация радиационно опасных работ и дистанционное управление механизмами.

Расчеты миграции радионуклидов из места их локализации позволили установить категорию потенциальной опасности объекта – III. С учетом потенциального радиационного воздействия при проектной аварии граница санитарно-защитной зоны может быть установлена по границе объекта.

Ядерная безопасность объекта подземной изоляции ОЯТ в глубоких геологических формациях была обоснована, исходя из эволюционного изменения барьеров безопасности вследствие коррозионных процессов, а также изменения климатических и сейсмических условий. Были рассмотрены три сценария эволюции ОЯТ и системы защиты, для каждого оценен эффективный коэффициент размножения нейтронов (Кэф). Наиболее консервативный третий сценарий предполагал нарушение целостности пеналов с ОЯТ, а также заполнение взвесью UО2 с водой межпенального пространства и всех свободных от металла и графита объемов пеналов всех ярусов захораниваемых ОТВС.

Определены основные виды воздействия объекта на окружающую среду – на представителей животного мира, почвенный покров, атмосферный воздух, водный бассейн территории. Разработаны мероприятия по их снижению, предусмотрен промышленный и радиационный контроль загрязнения окружающей среды.

На основе проведенной комплексной оценки воздействия на окружающую среду был сделан вывод, что при выполнении необходимых мероприятий превышения предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ при эксплуатации объекта опытно-промышленного объекта захоронения ОЯТ и РАО не ожидается.

Наиболее успешно задача вывода из эксплуатации старых энергоблоков Билибинской АЭС может быть решена, если в этом процессе будут участвовать представители различных социальных групп – органов власти всех уровней, экспертного сообщества, профсоюзов и заинтересованной общественности. Такой подход оправдан хотя бы потому, что выбор площадки для временного хранилища или окончательного захоронения радиоактивных отходов часто затруднен именно из-за протестов местного населения.