Сравнение альтернативных схем захоронения РАО класса 1 в составе ПГЗРО

Введение

В целях решения проблемы окончательной безопасной изоляции долгоживущих РАО в глубоких геологических формациях, в 2012-2015 гг. разработана проектная документация на создание ПИЛ и ПГЗРО. В связи с изменением исходных данных по объемам и характеристикам захораниваемых  РАО-1 и РАО-2 (радиоактивных отходов классов 1 и 2 в соответствии с [1]), с целью повышения долговременной, ядерной, эксплуатационной безопасности, приведения в соответствие проектных решений «Стратегии создания ПГЗРО», утвержденной А.Е. Лихачевым, планируется выполнить корректировку проектной документации. 

В данной работе рассматриваются и сравниваются альтернативные схемы подземных сооружений ПГЗРО, в том числе с учетом использования новой технологии создания тупиковых скважин большого диаметра. На основании результатов сравнения предлагается схема основных подземных сооружений исследовательской лаборатории ПИЛ НКМ. С целью определения перспектив развития ПГЗРО выполнена оценка возможных объемов подземных сооружений для глубинного захоронения РАО-1 и РАО-2, а также наиболее экологически опасной части отходов РАО-3, содержащих долгоживущие слабосорбируемые радионуклиды.  

1. Основания для принятия в проектной документации матричной структуры размещения упаковок с РАО-1 и РАО-2

1.1. Принцип захоронения РАО в РФ. Отличия от зарубежного подхода к захоронению долгоживущих радиоактивных отходов 

В соответствии с федеральным законом от 11.07.2011 №190-ФЗ [2] в РФ предусмотрено окончательное захоронение РАО, без возможности извлечения. Это позволяет создать значительно более надежные и экономически эффективные системы изолирующих барьеров, а также значительно более эффективно использовать дорогостоящее подземное пространство ограниченных объемов. 

В аналогичных зарубежных проектах, например, по захоронению ОЯТ в Швеции и Финляндии [3], горизонтальные подземные выработки не используются для захоронения РАО. Эти выработки заполняются изолирующими глиняными смесями, чтобы иметь возможность в случае необходимости раскопать их и извлечь контейнеры с ОЯТ из вертикальных скважин глубиной до 10 м, с целью переработки ОЯТ для извлечения ценных компонентов. При такой схеме подземных сооружений имеет место неэффективное использование подземного пространства.

В РФ принята концепция, в соответствии с которой осуществляется окончательное захоронение не ОЯТ, а радиоактивных отходов, образовавшихся после извлечения ценных компонентов при переработке топлива. Поэтому по экономическим соображениям не планируется извлечение захораниваемых РАО-1. Однако, учитывая необратимость захоронения, на стадии создания объекта глубинного захоронения РАО (ПГЗРО) необходимо всесторонне обосновать долговременную безопасность объекта на основании прогнозирования состояния многобарьерной системы изоляции на длительные периоды, с учетом возможного изменения в дальнейшем природных условий в районе расположения объекта. 

С учетом необходимости захоронения РАО на разведанном и обоснованном для этих целей участке «Енисейский» не только высокоактивных тепловыделяющих РАО-1, но и больших объемов РАО-2, следует рассмотреть и сравнить альтернативные схемы, обеспечивающие решение этой задачи.

1.2. Разработка матричной структуры ПГЗРО для захоронения накопленных в РФ и вновь образующихся РАО классов 1 и 2

В 2008 г. в соответствии с Федеральной целевой программой ФЦП ЯРБ 2008-2015 гг. «Подготовка проектной документации по строительству объектов окончательной изоляции радиоактивных отходов (Красноярский край, Нижне-Канский массив)» (п.33) была поставлена задача «Создание пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов, обеспечивающего надежную и безопасную окончательную изоляцию накопленных и вновь образующихся в РФ РАО классов    1 и 2 (ВАО и долгоживущие САО)».  

В «Декларации о намерениях» (2008 г.) [4] и «Обосновании инвестиций» (ОБИН, 2009-2011 гг.) [5] были предварительно определены технические решения, обеспечивающие окончательную изоляцию больших объемов РАО-1 и РАО-2.

При разработке ОБИН на создание ПИЛ и ПГЗРО в 2009-2011 гг. была обоснована возможность обеспечить захоронение от 154 до 256 тыс. м3 (нетто) долгоживущих РАО с небольшим тепловыделением и 6000 т (4500 пеналов по 3 бидона) остеклованных ВАО с высоким тепловыделением.

Для решения этой задачи в ОБИН была разработана матричная схема подземных сооружений: глубокие технологические скважины для захоронения РАО-1 и большие объемы горизонтальных камер захоронения РАО-2.

В ТЗ на разработку проектной документации (2012 г.), были уточнены объемы захораниваемых РАО: 4500 м3 нетто (7500 пеналов) РАО-1 и 155 000 м3 (нетто) РАО-2. Разработанная матричная схема подземных сооружений обеспечивала выполнение установленных задач. 

На рисунках 1 и 2 показана схема основных подземных сооружений ПГЗРО в соответствии с проектной документацией.

Рисунок 1. Схема ПГЗРО в проектной документации

Рисунок 2. Схема расположения камер и скважин захоронения в проектной документации

2. Анализ матричной структуры ПГЗРО с глубиной скважин 75 м и направления ее совершенствования

На момент разработки ОБИН и проектной документации (2009-2015 гг.) для создания глубоких вертикальных скважин большого диаметра из подземных горизонтальных выработок была известна только технология, предполагающая первоначальное бурение вертикально вниз пилотной скважины диаметром около 200 мм с последующим разбуриванием снизу-вверх до необходимого большого диаметра. 

Достоинством разработанной матричной схемы с использованием сквозных скважин глубиной 75 м является эффективное использование подземных выработок и подземного пространства. 

Недостатки использования сквозных скважин глубиной 75 м: 

• по долговременной безопасности – потенциально возможна вертикальная фильтрация долгоживущих РАО по зонам деструкции вокруг скважин и выход радионуклидов в массив пород через горизонтальные выработки больших размеров, расположенные на нижнем горизонте;
• по ядерной безопасности – с целью гарантированного исключения в долговременной перспективе потенциальных условий для возникновения на дне скважины самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР) необходимо значительно ограничивать содержание ЯДМ (ядерных делящихся материалов) в размещаемых упаковках;
• по эксплуатационной безопасности – предполагаются сложные перегрузочные операции при загрузке невозвратных чехлов в изолирующий контейнер (КИ) и при возведении инженерных барьеров безопасности вокруг КИ, которые необходимо выполнять в подземных условиях в дистанционном режиме.

3. Анализ вариантов размещения камер захоронения и скважин при использовании тупиковых скважин

Одним из направлений совершенствования технических решений является переход от сквозных скважин глубиной 75 м с размещением в каждой из них по 18 чехлов с РАО-1, к значительно менее глубоким тупиковым скважинам, рассчитанным на меньшее количество упаковок. При использовании тупиковых скважин исключается соединение между собой горизонтальных камер значительных размеров, расположенных на смежных горизонтах. Вопросы повышения долговременной и ядерной безопасности могут быть решены оптимизацией конструкции и материалов изолирующих барьеров.

Ниже рассматриваются варианты с использованием для захоронения РАО-1 скважин глубиной 27 м и 20 м и горизонтальных камер для захоронения РАО-2. С учётом значительного объёма создаваемых горизонтальных выработок рассмотрена также возможность размещения в камерах захоронения РАО-3, содержащих долгоживущие радионуклиды.

Предлагается в пределах блока горных пород, разведанного и обоснованного для захоронения долгоживущих РАО, рассмотреть возможность создания горизонтальных подземных сооружений и скважин на четырех уровнях: «-70 м»,
«-45 м», «-20 м», «+5 м». 

В разработанной проектной документации было предусмотрено создание горизонтальных подземных сооружений только на двух уровнях: «-70 м» и «+5 м».

Ниже рассмотрены два альтернативных варианта размещения горизонтальных подземных сооружений и скважин:

• Вариант 1 (3 горизонта). Горизонтальные камеры захоронения контейнеров с РАО-2 и  РАО-3 создаются на трех уровнях - «-70 м», «-30 м», «+5 м», и с этих горизонтов выполняется бурение вертикальных скважин глубиной по 27 м для размещения по 6 невозвратных чехлов с РАО-1 (рисунок 3).

• Вариант 2 (четыре горизонта). Горизонтальные камеры для захоронения   РАО-2 и РАО-3 создаются на уровнях - «-70 м», «-45 м», «-20 м», «+5 м». С горизонта «-70 м» выполняется бурение вертикальных скважин глубиной по 27 м для размещения по 6 невозвратных чехлов с РАО-1, а с горизонтов         «-45 м», «-20 м», «+5 м» бурение вертикальных скважин глубиной по 20 м для размещения по 5 невозвратных чехлов с РАО-1 (рисунок 4). Расстояния между горизонтами составляют 25 м.

Предусмотрено взаимное смещение по горизонтали камер захоронения на смежных горизонтах с целью изоляции скважин с РАО-1 от камер захоронения на нижележащем горизонте. 

Рисунок 3. Схема подземных сооружений ПГЗРО для варианта 1

Рисунок 4. Схема подземных сооружений ПГЗРО для варианта 2

На рисунке 5 показано расположение скважин в камерах захоронения на горизонтах.

Рисунок 5. Взаимное расположение скважин и камер захоронения на горизонте

Для захоронения РАО-1 рассматривается возможность использовать новый невозвратный чехол [6] диаметром 0.638 м и высотой 3.2 м (рисунок 6).

Рисунок 6. Эскиз невозвратного чехла для захоронения РАО-1

Для захоронения РАО-2 в проектной документации предусмотрено использовать контейнеры с габаритными размерами: 

• 1.65×1.65×1.375 м – транспортная захораниваемая упаковка по габаритам соответствующая широко распространённым в РФ контейнерам типа НЗК и КМЗ; 

• 1.32×1.32×0.92 м – выемная захораниваемая упаковка – невозвратный вкладыш в транспортный защитный оборотный контейнер. 

Габариты контейнеров в дальнейшем могут уточняться, так как на сегодняшний день вопросы создания парка контейнеров для захоронения РАО-1 и РАО-2 окончательно не решены [7].

Контейнеры в горизонтальных камерах захоронения, по предварительной оценке, планируется размещать в штабелях – по 3 контейнера по горизонтали и 4 по вертикали. Предварительно для укрупненных оценок предполагается, что в камерах захоронения формируются изолированные отсеки длиной по 20 м, по 14 отсеков в одной камере захоронения. В каждом отсеке размещаются по 132 контейнера, в камере захоронения – 1848 контейнеров. 

По вариантам 1 и 2 для определения расстояния между камерами и скважинами захоронения, с учетом тепловой нагрузки на массив пород в результате тепловыделения размещенных в скважинах чехлов с РАО-1, в качестве аналога используются следующие данные из утвержденной проектной документации по участку 1, на котором планировалось разместить РАО-1 с начальным удельным тепловыделением 1.0 кВт/м3: 

• расстояния между камерами на горизонте – 23 м, между скважинами в камере – 15 м, по длине камеры размещается 20 скважин, на одном горизонте размещается 30 горизонтальных камер (см. рисунок 5); 

• удельное тепловыделение РАО-1 на начало захоронения – 1.0 кВт/м3.

При таких параметрах, на основании выполненных в проектной документации теплофизических расчетов, максимальная температура пород в ближней зоне скважин не превысила +115ºС, что считается допустимым на основании многочисленных исследований в зарубежных подземных лабораториях.  

На основании анализа уточненных данных по накопленным на 2017 г. РАО-1 от переработки ОЯТ и ожидаемым для образования в период до 2025 г., удельное тепловыделение РАО-1 на начало захоронения составит не более 0.8-0.9 кВт/м3.

В соответствии с этим для оценки потенциальной емкости ПГЗРО для захоронения различных видов долгоживущих РАО, с учетом уменьшения удельного тепловыделения РАО-1, использованы следующие значения параметров размещения камер захоронения и скважин: расстояния между камерами на горизонте – 22 м, между скважинами в камере – 15 м, по длине камеры размещается 20 скважин, на одном горизонте размещаются 32 горизонтальные камеры.

4. Оценка потенциальной емкости ПГЗРО для размещения долгоживущих РАО для альтернативных вариантов при использовании тупиковых скважин

При использовании вариантов с тупиковыми скважинами может быть обеспечена высокая емкость ПГЗРО по объемам захораниваемых РАО, что позволит повысить эффективность создания ПГЗРО и использования подземного пространства.

Ниже приведены укрупненные оценки возможных объемов захоронения РАО в ПГЗРО для вариантов 1 и 2. При выполнении расчетов использованы данные по размерам подземных сооружений из разработанной проектной документации. 

В горизонтальной камере захоронения РАО в 14-ти отсеках длиной по 20 м, в штабелях 3×4 из контейнеров размерами 1.65×1.65×1.375 м может быть размещено 1848 контейнеров. На одном горизонте в 32-х камерах разместится 55440 контейнеров, на трех горизонтах (вариант 1) – 177 408 контейнеров, на четырех горизонтах (вариант 2) – 236 544 контейнера.

Приведенные оценки целесообразно скорректировать в меньшую сторону с учетом возможной отбраковки участков скважин и камер в местах их пересечения с зонами повышенной трещиноватости. С учетом данных по массиву гранитов в Финляндии, для предварительных оценок в таблице 1 принято, что может быть отбраковано и не использоваться для размещения упаковок с РАО около 20% длины скважин и камер захоронения. 

В связи с тем, что в настоящее время и обозримом будущем отсутствует потенциальная потребность захоронения огромных объемов РАО-2, которые можно разместить в горизонтальных подземных камерах ПГЗРО, целесообразно рассмотреть возможность использования части образующихся объемов камер ПГЗРО для безопасного глубинного захоронения наиболее экологически опасных РАО-3, которые содержат слабосорбируемые долгоживущие радионуклиды. Захоронение таких РАО-3 в приповерхностных ПЗРО представляет значительную проблему и требует создания дорогостоящих изолирующих барьеров. В ПГЗРО основную изолирующую функцию будет выполнять природный барьер, а камеры захоронения для возможного размещения этого класса РАО-3 попутно создаются в связи с захоронением РАО-1.

В таблице 1 приведена сравнительная оценка потенциальной емкости ПГЗРО для альтернативных вариантов 1 и 2 при использовании тупиковых скважин в соответствии со схемами, приведенными на рисунках 3 и 4.

Таблица 1. Предварительная оценка потенциальной емкости ПГЗРО для захоронения различных видов РАО

На основании приведенных в таблице оценок можно сделать вывод, что вариант 2, предусматривающий создание четырех горизонтов, является более перспективным с позиции потенциальной емкости ПГЗРО для захоронения различных видов долгоживущих РАО. 

В связи с двукратным увеличением в этом варианте объемов горизонтальных подземных сооружений для размещения долгоживущих РАО с незначительным тепловыделением, по сравнению с утвержденной проектной документацией, почти в 2 раза повышается эффективность использования подземного пространства.

С учетом отбраковки 20% длины скважин и камер, в создаваемом ПГЗРО при использовании варианта 2, по предварительной оценке, могут быть захоронены следующие объемы долгоживущих РАО:

РАО-1 – 10 752 чехла на 3 бидона,

РАО-2, РАО-3 – 189 235 контейнеров.

Приведенные в таблице 1 оценки могут быть скорректированы на основании уточненных теплофизических расчетов, которые следует выполнить для различных значений расстояний между камерами захоронения и вертикальными скважинами, а также  с учетом графика загрузки упаковок с РАО-1 и уточненного учета удельного тепловыделения накопленных и вновь образующихся РАО-1.

5. Предложение по структуре ПИЛ НКМ на основании анализа вариантов размещения чехлов с РАО-1 в тупиковых скважинах

На основании анализа рассмотренных вариантов размещения чехлов с РАО-1 в тупиковых скважинах предлагается в конструкции ПИЛ НКМ предусмотреть создание выше базового горизонта «-70 м» горизонтальных сопряжений от вспомогательного, технологического, вентиляционного стволов на уровнях «-45 м», «-20 м», «+5 м» для возможного строительства в дальнейшем на этих уровнях горизонтов для захоронения контейнеров с РАО-2 и РАО-3 и чехлов с РАО-1 (рисунок 7). 

Рисунок 7. Предварительная схема основных подземных сооружений ПИЛ НКМ

Поперечную выработку между оконтуривающими выработками на горизонте «-70 м» на этапе эксплуатации ПИЛ НКМ можно будет использовать для натурного определения параметров массива пород внутри и ниже площади будущего размещения камер захоронения, а также для завершающей отработки технологических операций обращения с РАО с использованием экспериментальных образцов невозвратных чехлов, контейнеров и нестандартизированного оборудования для выполнения перегрузочных операций. 

Для опережающего выполнения основного объема экспериментальных исследований с целью отработки выполнения транспортно-технологических операций обращения с РАО предполагается создать наземный Демонстрационно-исследовательский центр. Это позволит отказаться от ранее предусмотренных в проектной документации на двух горизонтах специальных подземных выработок ПИЛ длиной 600 м, указанных красным на рисунке 1, и значительно упростить выполнение экспериментальных исследований для оптимизации операций обращения с РАО.

Приведенный на рисунке 7 облик ПИЛ НКМ согласован с ИБРАЭ РАН с учетом планируемых в подземных сооружениях комплексных исследований для обоснования долговременной безопасности ПГЗРО.

Предварительное создание сопряжений от вспомогательного, технологического и вентиляционного стволов на уровнях «-45 м», «-20 м», «+5 м» позволит на основании дальнейших исследований в ПИЛ НКМ и уточненных теплофизических расчетов обосновать оптимальное размещение в ПГЗРО упаковок с РАО-1, РАО-2, РАО-3 и создать комплексы подземных сооружений на указанных уровнях.

Заключение

1. Матричная схема подземных сооружений ПГЗРО разработана в связи с необходимостью захоронить накопленные и планируемые к образованию в РФ большие объемы РАО-1 и РАО-2 в пределах блока горных пород с небольшими линейными размерами.

2. Предусмотренная в проектной документации матричная схема с использованием вертикальных сквозных скважин глубиной 75 м имеет значительные недостатки с позиции обеспечения долговременной, эксплуатационной, ядерной безопасности. Для устранения основных недостатков схемы предложено использовать для захоронения чехлов с РАО-1 тупиковые скважины значительно меньшей глубины.

3. С целью увеличения потенциальной емкости ПГЗРО при использовании захоронения РАО-1 в тупиковых скважинах целесообразно, дополнительно к горизонту на уровне «-70 м», создать подземные сооружения для захоронения РАО на уровнях «-45 м», «-20 м», «+5 м».

4. На основании предварительной оценки потенциальной емкости ПГЗРО при использовании тупиковых скважин показано, что на указанных 4-х горизонтах ПГЗРО можно безопасно захоронить 10 752 чехла на 3 бидона с  РАО-1, 189 235 контейнеров с РАО-2 и долгоживущими РАО-3, потенциальная опасность которых сопоставима с РАО-1 и РАО-2.  

5. Предложена схема подземной лаборатории ПИЛ НКМ. Рекомендовано при строительстве ПИЛ НКМ создать на отметках «-45 м», «-20 м», «+5 м» горизонтальные сопряжения от вспомогательного, технологического, вентиляционного стволов с целью возможного размещения в дальнейшем на этих уровнях горизонтов для захоронения РАО.

6. На основании сравнения потенциально возможных объемов захоронения в ПГЗРО долгоживущих РАО рекомендуется использовать альтернативный вариант 2 с четырьмя горизонтами для размещения упаковок с РАО. В связи с двукратным увеличением в этом варианте объемов горизонтальных подземных сооружений для размещения долгоживущих РАО с незначительным тепловыделением, по сравнению с утвержденной проектной документацией, почти в 2 раза повышается эффективность использования подземного пространства.

Литература

1. О критериях отнесения твердых, жидких и газообразных отходов к радиоактивным отходам, критериях отнесения радиоактивных отходов к особым радиоактивным отходам и к удаляемым радиоактивным отходам и критериях классификации удаляемых радиоактивных отходов: Постановление Правительства Рос. Федерации от 19.10.2012 № 1069.

2. Федеральный закон от 11 июля 2011 года №190-ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

3. Final repository for spent nuclear fuel in granite the KBS-3v concept in Sweden and Finland / S. Petterson, B. Lonnerberg // International Conference Underground Disposal Unit Design & Emplacement Processes for a Deep Geological Repository. Prague, 16-18 June, 2008.

4. «Декларация о намерениях» строительства объекта окончательной изоляции РАО в Красноярском крае, 2008 г.

5. «Обоснование инвестиций» «Строительство первоочередных объектов окончательной изоляции радиоактивных отходов (Красноярский край)», 2011 г.

6. Бейгул В.П., Мартынов К.В., Захарова Е.В., Еремин Е.А. Анализ процессов локализации делящихся радионуклидов в технологической скважине для обоснования ядерной безопасности глубинного захоронения радиоактивных отходов // Радиоактивные отходы. – 2019 (в печати).

7. Павлов Д.И., Сорокин В.Т., Гатауллин Р.М. и др. / Состояние и основные направления создания парка контейнеров для кондиционирования и захоронения радиоактивных отходов // Ядерная и радиационная безопасность. – 2016. - №3 (81).

Авторы

Бейгул Валерий Прокопьевич, кандидат технических наук, руководитель проекта, ФГУП «Национальный оператор по обращению с радиоактивными отходами» (119017, Москва, ул. Пятницкая, 49А, стр. 2), e-mail: vpbeygul@norao.ru.

Павлов Дмитрий Игоревич, руководитель направления отдела по обращению с РАО и ООС Санкт-Петербургского филиала АО «ФЦНИВТ «СНПО «ЭЛЕРОН»-«ВНИПИЭТ» (197183, Санкт-Петербург, ул.  Дибуновская, 55),  e-mail: dipavlov@eleron.ru.