21 января 2020

Сравнительный анализ концептуальных схем вертикального и горизонтального захоронения РАО-1 в составе 1-й очереди ПГЗРО

Рисунок 1. Схема ПГЗРО в проектной документации

С целью обеспечения долговременной, ядерной, эксплуатационной безопасности ПГЗРО с учетом уточненных исходных данных разрабатываются предложения по корректировке проектной документации. В статье представлены предварительные оценки параметров концептуальных вариантов вертикального и горизонтального размещения упаковок с РАО-1 в составе 1-й очереди ПГЗРО, оценки возможности использования цементных изолирующих смесей, рассмотрены основные направления исследований в наземном Демонстрационно-исследовательском центре. 

Введение

В проектной документации на создание подземной лаборатории и ПГЗРО на Нижнеканском массиве, разработанной в 2015 г., предусмотрено размещать невозвратные чехлы с тепловыделяющими РАО-1 (далее по тексту, РАО-1 и РАО-2 – это РАО классов 1 и 2 в соответствии с [1])  в вертикальных скважинах глубиной по 75 м, создаваемых из горизонтальных камер, в которых размещаются контейнеры с РАО-2. 

С учетом уточненных исходных данных по объемам и характеристикам РАО-1, накопленных на ФГУП «ПО «Маяк» и направляемых на захоронение, необходимости выделения подземной лаборатории в качестве технологически законченного этапа, обеспечения долговременной, ядерной, эксплуатационной безопасности ПГЗРО, подготавливаются предложения по корректировке проектной документации.

В значительной степени обеспечение долговременной, ядерной, эксплуатационной безопасности ПГЗРО определяется техническими решениями по обращению с РАО в подземных условиях, в т.ч. выбранной схемой размещения упаковок с РАО, параметрами системы изолирующих барьеров, транспортно-технологическими схемами выполнения операций по обращению с РАО.

В статье рассматриваются и сравниваются концептуальные схемы размещения упаковок с РАО-1 в тупиковых скважинах и горизонтальных камерах, оценивается возможность повышения долговременной, ядерной, эксплуатационной безопасности ПГЗРО, по сравнению с разработанной проектной документацией, при реализации предлагаемых технических решений. 

Представлены предварительные оценки параметров схем размещения РАО для 1-й очереди ПГЗРО. Приведены основные направления исследований в отделениях наземного Демонстрационно-исследовательского центра (ДИЦ). 

1. Анализ максимальных тепловых нагрузок на массив пород в проектной документации

На рисунке 1 показана схема размещения камер захоронения РАО на горизонтах «-70 м» и «+5 м» в соответствии с проектной документацией, разработанной в 2015 г. Между горизонтами расположены вертикальные скважины глубиной по 75 м, в каждой из которых размещены по 18 чехлов с РАО-1 [2]. 

В проектной документации рассмотрен вариант размещения невозвратных чехлов с остеклованными РАО-1 на участках 1 и 2, соответственно с начальными удельными тепловыделениями 1.0 кВт/м3 и 1.5 кВт/м3 (таблица 1.1), выполнены прогнозные расчеты тепловых режимов. Площади участков 1 и 2 составляют по 124.0 тыс. м2. 

Таблица 1.1. Исходные данные и результаты оценки удельной тепловой нагрузки на массив пород в проектной документации

Показатели

Утвержденная проектная документация (2016 г.)

Объем остеклованных ВАО, м

(удельное тепловыделение по участкам 1 и 2, кВт/м3)

4500

(1.0; 1.5)

Темпы загрузки чехлов в год 

360

Общее количество чехлов

7500

Количество чехлов в технологической скважине 

18

Глубина скважины, м

75

Расстояние между камерами захоронения на участках 1 и 2, м

23; 26

Расстояние между скважинами в камере на участках 1 и 2, м

15; 23

Количество скважин в камере на участках 1 и 2

20; 13

Количество камер на одном горизонте (всего) 

28 (56)

Общие размеры площади размещения скважин, м*м

360*686

Объем блока массива для размещения чехлов, м3

360*686*75= 18522000

Общее тепловыделение, кВт

5400

Укрупненная оценка удельной тепловой нагрузки на массив, кВт/м3

5400:18522000= 0.292*10-3

На основании выполненных теплофизических расчетов, температура в массиве после загрузки тепловыделяющих РАО сравнительно быстро будет расти, и после захоронения чехлов в 75-метровых скважинах на участках 1 и 2 максимальные значения температур в массиве пород достигаются примерно через 50 лет. 

С учетом естественной температуры вмещающего массива горных пород, максимальная температура пород в ближней зоне расположения скважин с РАО-1, в соответствии прогнозными теплофизическими расчетами в проектной документации, не превысит 116°С, что является допустимым (на основании международных рекомендаций по результатам экспериментальных исследований изменения изолирующих свойств инженерных барьеров и материалов-заполнителей трещин в массиве пород в условиях длительного теплового воздействия), и затем будет снижаться.

Для сравнения, на рисунке 2 приведена зависимость динамики изменения температуры около одной из скважин на участке 1, полученная на основании математического моделирования с использованием кода FENIA [3]. На графике показано, что максимальная температура в массиве в зоне теплового воздействия РАО-1 также не превысит значения, полученного в проектной документации.

Рисунок 2. Зависимость изменения температуры на участке 1 ПГЗРО от времени с начала загрузки чехлов с РАО-1 в скважины, для исходных данных в соответствии с таблицей 1

2. Анализ удельного тепловыделения накопленных РАО-1 для захоронения в составе 1-й очереди ПГЗРО

На основании уточненных исходных данных по удельному тепловыделению части остеклованных ВАО, накопленных до 2017 г., выполнен анализ и определено средневзвешенное значение их удельного тепловыделения на начало захоронения (таблица 2.1).

Таблица 2.1. Удельное тепловыделение накопленных до 2017 г. остеклованных ВАО

Удельное

тепловыделение, кВт/м3

Количество чехлов

Относительная доля

чехлов

Средневзвешенное значение удельного тепловыделения, кВт/м3

Длительность загрузки

чехлов, годы*

0.2

137

0.036

0.0072

0.83

0.4

537

0.14

0.056

3.25

0.9

1185

0.311

0.28

7.2

1.0-1.1

1205

0.316

0.332

7.33

1.3-1.5

747

0.196

0.2744

4.53

Всего

3811

1.0

0.95 кВт/м3

23.14

*  при темпе загрузки 165 чехлов/год.

Средневзвешенное значение удельного тепловыделения части тепловыделяющих остеклованных ВАО, накопленных на начало 2017 г. (3811 чехлов по 3 бидона, объем РАО-1 (нетто) - около 2020 м3), составляет 0.95 кВт/м3 на 2017 г. 

Для оценки динамики снижения удельного тепловыделения РАО-1, с учетом их радионуклидного состава, принимается, что период двукратного снижения тепловыделения составляет 30 лет. 

С учетом необходимости выполнения длительных исследований в ПИЛ для обоснования возможности промышленной эксплуатации ПГЗРО, предполагается, что захоронение накопленных РАО-1 может начаться не ранее 2033 г. По предварительной оценке, с 2017 г. удельное тепловыделение стекол за 16 лет снизится в 1.5 раза и на 2033 г. составит 0.65 кВт/м3. 

3. Схема основных подземных сооружений ПИЛ и 1-й очереди ПГЗРО

На момент разработки проектной документации, для создания из подземных выработок глубоких вертикальных скважин большого диаметра была известна только технология, предполагающая бурение вертикально вниз пилотной скважины с последующим разбуриванием снизу-вверх до необходимого диаметра. 

Недостатки использования сквозных скважин между горизонтами: 

  • по долговременной безопасности – в долговременной перспективе потенциально возможна вертикальная фильтрация небольших объемов загрязненных подземных вод по приконтурным зонам вокруг скважин и выход в массив пород через горизонтальные выработки, расположенные на нижнем горизонте;
  • по ядерной безопасности – с целью исключения потенциальных условий для возникновения на дне скважины самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР) необходимо значительно ограничивать содержание ЯДН (ядерных делящихся нуклидов) в упаковках;
  • по эксплуатационной безопасности – предполагаются сложные перегрузочные операции, которые необходимо выполнять в подземных условиях в дистанционном режиме.

В настоящее время подготавливаются обоснования корректировки проектной документации с учетом полученных уточненных данных по объемам и характеристикам захораниваемых  РАО-1 и РАО-2, с целью обеспечения долговременной, ядерной, эксплуатационной безопасности, приведения содержания работ по этапам создания и эксплуатации ПГЗРО в соответствие утвержденной «Стратегии создания ПГЗРО» [4].

На рисунке 3 показана схема основных подземных сооружений ПИЛ НКМ, разработанная с учетом дальнейшего выполнения всесторонних исследований характеристик массива горных пород в соответствии со «Стратегическим мастер-планом исследований» [5]. До 2026 г. планируется построить подземные сооружения на горизонте «-70 м» и создать на горизонте «+5 м» сопряжения с вертикальными стволами длиной около 15 м. 

При проектировании и строительстве ПИЛ следует предусмотреть, в случае обоснования возможности безопасного захоронения РАО и получения лицензии на промышленную эксплуатацию, развитие работ в соответствии с утвержденной «Стратегией создания ПГЗРО» [4] и создание подземных сооружений ПГЗРО.

Использование горизонта «-70 м» для создания ПИЛ и 1-й очереди ПГЗРО обосновано тем, что на нижнем горизонте, в соответствии с проектной документацией, располагаются важнейшие обеспечивающие подземные сооружения: установки водоотлива, подземная электростанция, глубокие зумпфы, обеспечивающие безопасность на стадии эксплуатации ПГЗРО.

Сопряжения со стволами на уровнях «-45 м» и «-20 м» (рисунки 7 и 8 ), по предварительной оценке, потребуется построить ориентировочно после 2080 г., для создания в дальнейшем на этих уровнях горизонтов с камерами захоронения РАО для развития ПГЗРО. Это позволит обеспечить на длительный период возможность захоронения больших объемов РАО-1 и РАО-2, которые будут образованы от переработки ОЯТ в РФ.

На этапе строительства ПИЛ НКМ планируется также создать 2 камеры около вентиляционного ствола для размещения РАО на 1-й год эксплуатации ПГЗРО (в случае получения лицензии на промышленную эксплуатацию на основании комплексных исследований в ПИЛ НКМ). В дальнейшем на стадии эксплуатации 1-й очереди ПГЗРО, в пределах площади между оконтуривающими выработками, планируется создать еще 29 поперечных выработок. 

Всего из 32-х поперечных выработок, которые планируется создать на горизонте «-70 м», для захоронения РАО в составе 1-й очереди ПГЗРО будет использована 31 камера, а одна выработка (указанная на рисунке 3 в центре площади) предназначена для выполнения всесторонних исследований при эксплуатации ПИЛ.

Рисунок 3. Схема расположения основных подземных сооружений ПИЛ и 1-й очереди ПГЗРО на этапе строительства

Горно-геологические, гидрогеологические, геохимические свойства массива горных пород на участке «Енисейский» исследованы начиная с 2002 г. с использованием 16-ти разведочных скважин глубиной 500-700 м и исследованиями на поверхности [2], с полным отбором кернового материала из скважин, полным комплексом геофизических, опытно-фильтрационных и лабораторных исследований на поверхности и в скважинах. На основании заключения ГКЗ Роснедра по «оценочной» стадии [6] обоснована пригодность участка для глубинного захоронения долгоживущих РАО.

В сценарии для обоснования долговременной безопасности предполагается, что в долгосрочной перспективе может происходить выход незначительных объемов загрязненных вод за пределы системы изолирующих барьеров. Однако при распространении загрязненных вод с очень низкими скоростями по зонам трещиноватости на глубинах более 500 м будет происходить сорбция радионуклидов на материалах-заполнителях трещин, дисперсия и диффузия растворенных радионуклидов. Длина траектории миграции от объекта до водосборов, по предварительным оценкам, составит не менее 5-ти км. 

Безусловным требованием при обосновании долговременной безопасности ПГЗРО является непревышение, даже через сотни тысяч лет, допустимых дозовых нагрузок на население, которые являются более жесткими, чем в зарубежных странах. 

В отличие от аналогичных объектов в Швеции и Финляндии, в которых обеспечение долговременной безопасности в значительной степени возлагается в основном на систему изолирующих барьеров, для ПГЗРО, по предварительным оценкам, существенную изолирующую функцию будет выполнять природный слабопроницаемый горный массив.

Для количественного подтверждения долговременной безопасности, в соответствии с рекомендациями экспертной комиссии ГКЗ Роснедра, кроме исследований в ближней зоне, следует выполнить комплексные натурные исследования глубинных сорбционно-миграционных свойств массива пород на потенциальных путях миграции радионуклидов за пределами участка «Енисейский», оценить в долгосрочной перспективе годовые объемы растворов и концентрации радионуклидов в конце траектории миграции, с учетом взаимодействия с материалами-заполнителями трещин, дисперсии и диффузии радионуклидов. 

Анализ результатов натурных исследований глубинных сорбционно-миграционных свойств мощного природного барьера на всем пути от объекта до водосборов позволит обоснованно распределить роли элементов многобарьерной системы в обеспечении долговременной безопасности ПГЗРО, обосновать требования к системе изолирующих барьеров.

С целью повышения потенциальной емкости и длительности использования разведанного участка для захоронения РАО необходимо разработать эффективные технические решения по созданию 1-й очереди и развитию ПГЗРО, а также не направлять на захоронение РАО-1 с высоким удельным тепловыделением. 

В случае исчерпания потенциальной емкости участка «Енисейский» потребуется выполнить длительные и затратные исследования для обоснования пригодности нового участка для глубинного захоронения долгоживущих РАО, а также полный цикл работ по созданию ПГЗРО на новом месте.

4. Альтернативные концептуальные варианты размещения чехлов с РАО-1 

Для использования при корректировке проектной документации предлагаются два концептуально различных варианта размещения чехлов с РАО-1:

  • вариант 1 – вертикальное размещение чехлов в тупиковых скважинах [7];

  • вариант 2 – горизонтальное размещение чехлов в камерах захоронения.

Предполагается на стадии эксплуатации Демонстрационно-исследовательского центра и подземной лаборатории исследовать работоспособность и эффективность указанных технических решений, обосновать конструкцию и параметры изолирующих барьеров, нестандартизированное оборудование и транспортно-перегрузочные схемы обращения с РАО в подземных условиях - на основании математического моделирования, опытно-промышленных исследований с использованием полноразмерных макетов и экспериментальных образцов упаковок с РАО, опытных образцов нестандартизированного оборудования для обращения с РАО. 

Окончательную отработку и оптимизацию проектных решений для выбранного варианта следует продолжить в процессе эксплуатации 1-й очереди ПГЗРО, в т.ч. оптимизацию параметров невозвратного чехла и характеристик изолирующих смесей. 

Ниже рассматриваются предлагаемые для исследования, сравнения и всестороннего обоснования концептуальные технические решения по размещению невозвратных чехлов с РАО-1 в составе 1-й очереди ПГЗРО. Параметры расположения горизонтальных камер захоронения и скважин, размеры выработок соответствуют принятым в проектной документации.

4.1 Размещение чехлов с РАО-1 в тупиковых скважинах 

На рисунке 4 показано размещение чехлов с РАО-1 в тупиковых скважинах, которые планируется создавать бурением сверху вниз из горизонтальных камер захоронения, расположенных на горизонте «-70 м». 

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 (рисунок 5(а)), ширина камеры 5.85 м, высота в своде 7.2 м, длина камеры 300 м. 

По предварительной оценке, чехлы с РАО-1 диаметром 0.638 м высотой 3.2 м [7] могут быть размещены на горизонте «-70 м» в скважине глубиной 27 м, по 6 чехлов в скважине. Конкретное значение указанного максимального диаметра предлагаемого нового невозвратного чехла установлено с учетом диаметра ячеек в хранилище на ФГУП «ПО «Маяк». В качестве изолирующего буфера предварительно рассматривается бентонито-песчаная смесь. Предварительно принято, что толщина буфера в скважине составит не менее 400 мм. В дальнейшем уточнение состава изолирующей смеси и толщины изолирующего барьера может быть выполнено на основании исследований в ДИЦ.

По предварительной оценке, в одной камере можно разместить 20 скважин, в 31 камере – 620 скважин, всего в составе 1-й очереди ПГЗРО для варианта 1 разместится: 6*620 = 3720 чехлов с РАО-1. 

В горизонтальных камерах (рисунок 4), аналогично варианту в проектной документации, размещаются контейнеры с РАО-2 с габаритами 1.65*1.65*1.375 м, установленные в штабели по схеме 3*4. В качестве изолирующего буфера в горизонтальных камерах предварительно планируется использовать цементную смесь. По предварительной оценке, в 31-й камере может разместиться 57 288 контейнеров с РАО-2.

Рисунок 4. Вариант 1 – захоронение по 6 чехлов с РАО-1 в тупиковых скважинах глубиной 27 м

Для рассмотренного варианта расстояния между камерами на горизонте и между скважинами внутри камеры практически совпадают с аналогичными параметрами для участка 1 в проектной документации. Однако в варианте с тупиковыми скважинами значительно меньше длина скважин (27 м вместо 75 м), количество чехлов в скважине (6 чехлов вместо 18-ти), начальное удельное тепловыделение захораниваемых РАО-1 (0.65 кВт/м3 вместо 1.0 кВт/м3).

В итоге, даже без выполнения теплофизических расчетов, можно сделать вывод, что с учетом результатов ранее выполненного моделирования теплового режима в проектной документации (см. таблицу 1.1 и рисунок 2), при указанном размещении чехлов в массиве пород, предполагающем меньшую тепловую нагрузку, заведомо будет обеспечен допустимый тепловой режим.

Ближе друг к другу расположить подземные выработки, с целью увеличения количества захораниваемых чехлов, запрещается исходя из горно-геологических требований по минимально допустимым расстояниям между подземными сооружениями.

4.2 Горизонтальное размещение чехлов с РАО-1 в камерах захоронения

На рисунке 5(а) показан поперечный разрез горизонтальной камеры захоронения в соответствии с разработанной проектной документацией, с размещенным в камере штабелем контейнеров с габаритными размерами 1.65*1.65*1.375 м. 

Для варианта 2 предлагается рассмотреть горизонтальное размещение чехлов с РАО-1 в камерах, вдоль оси камеры, выше и ниже штабеля контейнеров. 

На рисунке 5(б) показан поперечный разрез камеры для предлагаемого варианта. Контейнеры устанавливаются в штабеле по схеме 3*2, т.е. количество захораниваемых контейнеров с РАО-2 уменьшится в 2 раза по сравнению с проектной документацией и вариантом с тупиковыми скважинами.

Однако, в качестве положительных факторов, при этом создается возможность разместить чехлы с РАО-1 непосредственно в горизонтальной камере, отказаться от создания технологических скважин большого диаметра и приобретения соответствующего бурового оборудования, повысить эксплуатационную безопасность ПГЗРО в результате отказа от сложных технологических операций по вертикальной загрузке упаковок с РАО-1 в скважины, значительно упростить выполнение требований по ядерной безопасности, повысить долговременную безопасность в результате улучшения конструкции и значительного увеличения толщины изолирующих барьеров. Сравнение параметров схем для вариантов 1 и 2 приведено в разделе 7.

В качестве изолирующей смеси предварительно предлагается использовать цементную закладку. 

В камере захоронения РАО длиной около 300 м предварительно планируется создать отсеки длиной по 15 м, которые отделяются друг от друга изолирующими перегородками. Внутри каждого отсека разместить чехлы слоями сверху и снизу - по 3 чехла сверху и по 3 чехла снизу штабеля контейнеров (рис. 5(б) и 6).

В отсеке размещается штабель контейнеров габаритами 1.65*1.65*1.375 м: 8 рядов с поперечным сечением 3 контейнера по горизонтали, 2 по вертикали. Итого в отсеке длиной 15 м размещается 48 контейнеров с РАО-2, а также 6 чехлов с РАО-1.

         

                                      (а)                                                  (б)

Рисунок 5. Схема размещения контейнеров в проектной документации (а) и предлагаемая схема с горизонтальным размещением чехлов с РАО-1 (б)

 

C:\Users\VPBeygul\Desktop\Отсек камеры (разрез 1-2).png

Рисунок 6. Схема отсека камеры длиной 15 м с размещением 6-ти чехлов и штабеля из 48 контейнеров (разрез 1-1 на рисунке 5(б))

При такой схеме нижний и верхний слои размещения чехлов с РАО-1 отделены от штабелей контейнеров с РАО-2 изолирующими барьерами толщиной не менее 1.2 м из цементной смеси. Размеры поперечного сечения камеры в проектной документации: 5.85*7.2 м. По предварительной оценке, для обеспечения необходимых параметров изолирующих барьеров по вертикали и выполнения операций по загрузке упаковок с РАО целесообразно увеличить высоту камеры с 7.2 м до 7.8 м.

Расстояния между чехлами: по горизонтали – более 1.5 м, по вертикали – около 5 м. Внешний объем чехла - около 1.0 м3, контейнера – 3.7 м3. Общий объем изолирующей цементной смеси для заполнения отсека камеры длиной 15 м с размещенным в нем штабелем из 48-х контейнеров с РАО-2 и 6-ти чехлов с РАО-1 составит около 470 м3. Общий объем РАО-1 в 6-ти чехлах в отсеке составит 3.2 м3 (нетто).

Всего в камере в 19-ти отсеках разместится 114 чехлов с РАО-1 и 912 контейнеров с РАО-2. В 31-й камере на горизонте «- 70 м» можно захоронить 3534 чехла с РАО-1 и 28 272 контейнера с РАО-2. 

Оптимальные параметры в схеме горизонтального размещения чехлов с РАО-1, представленной на рисунках 5(б) и 6, планируется определить на основании теплофизических расчетов и экспериментальных исследований в наземном ДИЦ. 

Для смесей на основе бентонитов критичным значением температуры в системе изолирующих барьеров считается 120-140оС. При превышении таких температур происходит иллитизация монтмориллонита и ухудшение изолирующих свойств барьера. В отличие от бентонита, для цементных материалов допускается возможность длительного нагрева до более высоких значений без ухудшения изолирующих свойств.

Ниже представлена характеристика изолирующих свойств цементных материалов на основании обобщения результатов многочисленных международных исследований.

5. Анализ свойств цементной закладки как изолирующего барьера при глубинном захоронении долгоживущих радиоактивных материалов

На основании многолетних экспериментальных исследований, выполненных в различных странах, подтверждено, что при использовании изолирующих смесей на основе цементных материалов может быть обеспечена длительная изоляция радиоактивных отходов, содержащих долгоживущие радионуклиды.

В статье [8] на основании обобщения и анализа результатов исследований, представленных в 45-ти зарубежных и отечественных публикациях, сформулированы следующие основные положения по свойствам цементных материалов в системе изолирующих барьеров (СИБ):  

  • В результате поступления подземных вод и взаимодействия с цементной закладкой установятся высокие значения pH, более 10-ти, что будет способствовать снижению (на несколько порядков) скорости коррозии стальных контейнеров. 

  • В результате длительного сохранения непроницаемости упаковок значительно задержится контакт матрицы с подземными водами и снизится температура РАО-1, поэтому выщелачивание радионуклидов будет происходить при нормальной температуре. 

  • В условиях высоких значений pH многие радионуклиды в пределах СИБ имеют низкую растворимость, благодаря этому снизится массовое содержание соответствующих радионуклидов в единичном объеме загрязненных вод.

  • Цементные материалы имеют большую активную поверхность, способную связывать радионуклиды.

  • Высокая газопроницаемость цементных материалов.

  • Простота обращения с цементом, что упрощает создание СИБ.

  • При использовании цементных материалов будет создан однотипный барьер для захоронения РАО-1 и РАО-2.

  • Нагревание цемента до температур, максимально возможных в условиях ПГЗРО, слабо влияет на обеспечение химического контайнмента.

  • Растрескивание цемента при нагревании не является критичным для обеспечения локализации большинства радионуклидов в условиях слабопроницаемых кристаллических пород. Снижение изолирующих свойств цементной закладки вследствие нагревания (например, до 200оС) может проявиться главным образом для слабосорбируемых долгоживущих радионуклидов (например, йод-129, хлор-36).

Учитывая важность обеспечения длительной коррозионной стойкости упаковки как первичного барьера в системе изолирующих барьеров, в разных странах в течение длительного времени проводятся исследования процессов взаимодействия металлов с различными растворами. В [9] представлено обобщение результатов исследований в международных лабораториях (78 ссылок на опубликованные результаты исследований), выполненных с целью оценки скорости коррозии углеродистых сталей в различных средах. 

Показано, что в анаэробных и статических условиях в начальный период, сроком до 4-х лет, на поверхности образцов углеродистых сталей образуется защитная пленка, в результате чего в дальнейшем долговременная скорость коррозии снижается до величин порядка 0.0001 мм/год (в т.ч. в растворах типа цементных) и до 0.001-0.002 мм/год в глинистых растворах. 

На основании приведенных данных следует, что имеется возможность обеспечить долговременную стойкость нового невозвратного чехла с толщиной стенки 15 мм из коррозионностойкой стали (по консервативным оценкам, не менее 15 000 лет). 

Однако указанные оценки коррозионной стойкости чехлов можно использовать для предварительных оценок. Уточнение скоростей коррозии стенок невозвратного чехла и металлических контейнеров с РАО-2, учитывая важность этих оценок для обоснования долговременной безопасности, следует выполнить в дальнейшем при эксплуатации ДИЦ и ПИЛ и продолжить в течение срока эксплуатации 1-й очереди ПГЗРО. Результаты исследований будут использованы для развития ПГЗРО и обоснования долговременной безопасности. 

Внешний диаметр чехла (и соответственно толщина стенки) ограничивается внутренним диаметром ячеек в хранилище на ФГУП «ПО «Маяк», в котором чехлы с размещенными в них бидонами после перекомплектования будут храниться до отправки на ПГЗРО. 

В связи с этим при исследованиях в ДИЦ и ПИЛ следует найти эффективные технические решения (выбор коррозионностойкого материала чехла; выбор изолирующих смесей, значительно снижающих скорость коррозии стенки чехла и обеспечивающих локализацию радионуклидов; возможность нанесения дополнительного изолирующего покрытия на поверхность чехла), которые смогут обеспечить, при соблюдении ограничений по габаритам, необходимые изолирующие свойства невозвратного чехла как элемента многобарьерной системы для обеспечения долговременной безопасности ПГЗРО. 

6. Схемы основных подземных сооружений 1-й очереди ПГЗРО для вариантов с тупиковыми скважинами и с горизонтальным размещением РАО-1

6.1 Схема вертикального размещения чехлов в тупиковых скважинах для 1-й очереди ПГЗРО

На рисунке 7 приведена схема подземных сооружений 1-й очереди ПГЗРО для варианта с тупиковыми скважинами.

     

                                         (а)                                                               (б)

Рисунок 7. Схема расположения основных подземных сооружений ПИЛ и 1-й очереди ПГЗРО на этапе строительства (а) и фрагмент-разрез схемы для варианта с тупиковыми скважинами (б)

В разделе 4.1 показано, что в составе 1-й очереди ПГЗРО в 31 горизонтальной выработке, по предварительной оценке, может разместиться 57 288 контейнеров с РАО-2, а в скважинах - 3720 чехлов с РАО-1. При темпе загрузки 165 чехлов/год срок эксплуатации 1-й очереди ПГЗРО для варианта с тупиковыми скважинами составит 23 года.

В связи с уменьшением, по сравнению с проектной документацией, количества чехлов в скважине с 18-ти до 6-ти, для варианта 1 снижаются ограничения по содержанию ЯДН в упаковках с точки зрения ядерной безопасности. В результате уменьшения габаритов и массы спускаемой упаковки, увеличения толщины буфера, уменьшения глубины скважины повысится эксплуатационная безопасность (в проектной документации предусмотрено спускать в скважину глубиной 75 м изолирующие контейнеры КИ диаметром 1.2 м, высотой 4.1 м, толщина буфера - 5 см). В результате значительного увеличения толщины бентонитового барьера повысится долговременная безопасность ПГЗРО.

В [7] было показано, что при использовании варианта с тупиковыми скважинами на полное развитие ПГЗРО в пределах разведанного участка могут быть размещены значительные объемы РАО-1 и РАО-2. Однако конкретные значения параметров размещения упаковок с РАО-1 и РАО-2, технические решения по нестандартизированному оборудованию, транспортно-технологическим схемам обращения с РАО, параметрам изолирующих барьеров должны быть разработаны и обоснованы на основании комплексных исследований в ДИЦ и ПИЛ.

На основании планируемого уточненного анализа содержания ЯДН в чехлах, направляемых на захоронение, следует определить, какое максимальное количество чехлов может быть размещено в скважине в соответствии с требованиями по ядерной безопасности. Полученные оценки могут оказать решающее влияние на вывод о возможности использования варианта 1 для создания ПГЗРО.

6.2 Схема варианта с горизонтальным размещением чехлов для 1-й очереди ПГЗРО

На рисунке 8 приведена схема подземных сооружений 1-й очереди ПГЗРО для варианта с горизонтальным размещением РАО-1.

     

                                      (а)                                                                    (б)

Рисунок 8. Схема расположения основных подземных сооружений ПИЛ и 1-й очереди ПГЗРО на этапе строительства (а) и фрагмент-разрез схемы для варианта с горизонтальным размещением РАО-1 (б)

В разделе 4.2 показано, что на горизонте «-70 м» в составе 1-й очереди ПГЗРО в 31 горизонтальной выработке для варианта 2, по предварительной оценке, может разместиться 28 272 контейнера с РАО-2 и 3534 чехла с РАО-1. При темпе загрузки 165 чехлов/год срок эксплуатации 1-й очереди ПГЗРО для варианта с горизонтальным размещением РАО-1 составит 22 года.

При горизонтальном размещении чехлов с РАО-1, на основании предварительных оценок, исключается возможность возникновения СЦР, повысится эксплуатационная безопасность в связи с отказом от сложных перегрузочных операций по спуску чехлов в скважину. Благодаря созданию мощных изолирующих барьеров может быть обеспечена долговременная безопасность ПГЗРО. 

В качестве альтернативных вариантов при исследованиях в ДИЦ и ПИЛ планируется рассмотреть создание изолирующих барьеров на основе цементных смесей и смеси бентонита с песком или раздробленной породой.

На основании данных, представленных в [8, 9], для показанной на рисунках 5(б), 6 и 8 схемы захоронения РАО-1 и РАО-2 с горизонтальным размещением чехлов с РАО-1, с учетом результатов многочисленных прецизионных исследований [8, 9], при использовании изолирующих смесей на основе цементных материалов могут быть получены следующие результаты:

  • Может быть создан эффективный химический барьер, снижающий пределы растворимости большинства радионуклидов, их количество в единичном объеме растворов и обеспечивающий повышенную сорбцию радионуклидов.

  • Снижается на несколько порядков скорость коррозии стальных контейнеров, благодаря чему период сквозной коррозии невозвратного чехла толщиной 15 мм может составить не менее 15 000 лет. При этом значительно задержится начало взаимодействия подземных вод с алюмофосфатной матрицей, и в результате спада тепловыделения РАО-1 выщелачивание радионуклидов из матрицы будет происходить при нормальной температуре. 

  • Высокая газопроницаемость барьера из цементных материалов предотвратит возникновение избыточного давления внутри отсека с РАО.

  • Благодаря очень большим объемам изолирующих цементных смесей в отсеке с РАО-1 и РАО-2, большой толщине изолирующих барьеров по горизонтали и вертикали могут быть созданы благоприятные условия для обеспечения долговременной безопасности ПГЗРО. 

  • По предварительным оценкам, при использовании цементных смесей можно эффективно, технологично и экономично организовать создание в камере мощных изолирующих барьеров. Одной из важных задач на этапах исследований в ДИЦ и ПИЛ является разработка мероприятий для усиления изолирующих свойств цементных смесей по отношению к слабосорбируемым радионуклидам йод-129 и хлор-36 с учетом тепловых режимов в отсеках камер.

  • Одним из главных преимуществ варианта с горизонтальным размещением чехлов с РАО-1 является радикальное решение проблемы обеспечения ядерной безопасности ПГЗРО.

  • Сравнение основных показателей проектной документации и концептуальных схем размещения чехлов с РАО-1

В таблице 7.1 приведены предварительные оценки основных показателей по размещению упаковок с РАО-1 и РАО-2 в проектной документации и в рассматриваемых концептуальных вариантах.

Таблица 7.1. Сравнение показателей по размещению РАО-1 и РАО-2 в проектной документации и двух концептуальных вариантах для 1-й очереди ПГЗРО

 

Показатели

Варианты

Проектная 

документация 

Вариант 1 

(тупиковые скважины)

Вариант 2 

(горизонтальное расположение чехлов)

Количество горизонтов, 

скважин

2 (417 скважин  по 75 м)

1 (620 скважин 

по 27 м)

(скважин нет)

Количество чехлов с РАО-1

7500 (оценка)

3720

3534

Удельное тепловыделение РАО-1 на начало захоронения, кВт/м3

1.0; 1.5

(оценка)

0.65

(факт)

0.65

(факт)

Количество контейнеров с РАО-2 (оценка)

около 80 000

(155 000 м3 нетто)

57 288

(212 000 м3 брутто)

28 272

(104 000 м3 брутто)

Необходимость дополнительного заключения ГКЗ Роснедра

нет

необходимо

нет

Сравнительная оценка выполнения требований по ЯБ (с учетом фактических содержаний ЯДН в чехлах)

Не выполняются

Не выполняются * (в скважине можно разместить не более 2-4 чехлов)

Выполняются 

Соответствие невозвратного чехла параметрам хранилища на ПО «Маяк»

Не соответствует

Соответствует

Соответствует

Габариты захораниваемой упаковки с РАО-1

Диаметр 1.2 м, 

высота 4.1 м

Диаметр 0.638 м, высота 3.2 м

Диаметр 0.638 м, 

высота 3.2 м

Риск радиационных аварий при загрузке РАО-1

высокий

умеренный

низкий

*- на основании исследований в ДИЦ могут быть разработаны технические решения по усилению изолирующих свойств изолирующих барьеров, которые могут обеспечить выполнение требований по ядерной безопасности при размещении по 6 чехлов в скважине.

На основании анализа приведенных данных можно сделать вывод, что, по предварительным оценкам, вариант с горизонтальным размещением чехлов с РАО-1 имеет важные преимущества, особенно с позиции обеспечения ядерной безопасности. В дальнейшем на основании исследований в ДИЦ необходимо разработать мероприятия для обеспечения высоких изолирующих свойств системы изолирующих барьеров для РАО-1 и РАО-2 и разработать эффективные транспортно-технологические схемы для обращения с РАО в подземных условиях. 

8. Основные цели и направления исследований в наземном Демонстрационно-исследовательском центре 

Для опережающей отработки нестандартизированного оборудования и транспортно-технологических схем обращения с РАО-1 и РАО-2 в ПГЗРО, для выполнения натурных полноразмерных исследований с целью оптимизации параметров изолирующих барьеров, в соответствии со «Стратегией создания ПГЗРО» [4] предусмотрено создание  наземного Демонстрационно-исследовательского центра (ДИЦ).

Обоснование целесообразности создания ДИЦ: 

  • Наглядное многовариантное исследование, полномасштабная отработка и оптимизация выполнения транспортно-технологических операций обращения с РАО-1 и РАО-2 в дистанционном режиме с видеоконтролем, вначале на имитационных динамических пространственных моделях и на полноразмерных макетах, а в заключение – на реальных образцах нестандартизированного оборудования. 

  • Ввиду новизны, следует всесторонне исследовать на модели и экспериментально отработать транспортно-технологическую схему и нестандартизированное оборудование для горизонтальной загрузки чехлов с РАО-1 в камеры. 

  • Опережающее выявление и исправление отдельных недостатков в технических решениях по подземным сооружениям и нестандартизированному оборудованию на основании полномасштабных натурных экспериментов. 

  • Выполнение комплексных исследований и оптимизация параметров изолирующих барьеров, в том числе: исследование процессов затвердевания различных изолирующих смесей при водонасыщении, в т.ч. влияния температуры; исследование динамики изменения параметров смесей от времени при затвердевании; исследование длительных свойств изолирующих смесей при различных тепловых режимах, коррозии стенок чехла; исследование сорбционно-миграционных процессов и динамики движения теплового фронта в изолирующих барьерах различного состава. 

  • Оптимизация конструкции невозвратного чехла для РАО-1 и контейнеров для РАО-2; отработка технологии доставки чехлов на горизонт захоронения и размещения в подземных выработках, загрузки изолирующих смесей; полномасштабная отработка нестандартизированного оборудования для обращения с РАО.

  • Экспериментальное исследование основных технических решений автоматизированной системы контроля параметров массива пород и инженерных барьеров.

  • Значительное упрощение организации натурных исследований и обучения персонала работам в ПИЛ и ПГЗРО, без помех для производственного процесса в ходе строительства и эксплуатации объекта.

  • Отсутствие значительных пространственных ограничений на размещение экспериментальных и вспомогательных участков по сравнению с ПИЛ.

  • Более комфортные, чем в ПИЛ, производственно-бытовые условия работы персонала, выше эффективность использования рабочего времени.

  • Возможность значительного расширения круга лиц для ознакомления с безопасной эксплуатацией будущего объекта с целью создания благоприятного отношения населения и независимых экспертов к созданию ПГЗРО.

  • Наглядная демонстрация безопасности будущей эксплуатации ПГЗРО экспертам и представителям общественности с использованием пространственных имитационных моделей, полномасштабных макетов и образцов нестандартизированного оборудования.

Основные отделения Демонстрационно-исследовательского центра

  • Отделение 1 «Отработка и демонстрация выполнения транспортно-перегрузочных операций обращения с РАО и нестандартизированного оборудования». 

  • Отделение 2 «Исследование и оптимизация параметров инженерных барьеров». 

  • Отделение 3 (временное, до ввода в эксплуатацию ПГЗРО) «Подъездные пути железной дороги - здание перегрузки – клеть технологического ствола».

В таблице 7.1 приведено краткое описание основных направлений исследований в подземных сооружениях ПИЛ НКМ и отделениях ДИЦ. 

Основной объем натурных исследований массива горных пород планируется выполнить на этапе эксплуатации ПИЛ с целью обоснования возможности безопасной промышленной эксплуатации ПГЗРО для захоронения РАО-1 и РАО-2, в т.ч. с обоснованием, с учетом результатов исследований, возможных ограничений на объемы и характеристики захораниваемых РАО. 

В период строительства трех стволов и горизонтальных подземных сооружений планируется выполнить натурные исследования для уточнения геологической и гидрогеологической модели массива в ближней зоне, а также для обоснования возможной корректировки проектных решений по захоронению РАО с учетом полученных данных по структуре и характеристикам массива непосредственно в зоне размещения камер захоронения РАО. 

Таблица 7.1. Основные направления исследований на этапах строительства и эксплуатации ПИЛ НКМ и ДИЦ  

 

Направления исследований

Сооружения в составе ПИЛ и ДИЦ

Подземные сооружения ПИЛ, исследовательские скважины

Подъездные пути железной дороги - здание перегрузки – 

клеть технологического ствола

Отделения 1 и 2 ДИЦ

1. Исследования характеристик массива пород в ближней и дальней зонах для обоснования долговременной безопасности ПГЗРО

3 ствола, горизонтальные выработки, специальные подземные сооружения, скважины из подземных сооружений, кусты глубоких скважин в дальней зоне

 

-

 

-

2. Оптимизация конструкции и параметров систем изолирующих барьеров при захоронении РАО-1 и РАО-2 для обеспечения долговременной безопасности ПГЗРО

 

-

 

-

Отделение 2

(оптимизация СИБ с использованием цифрового двойника ПИЛ и ПГЗРО, крупномасштабных блоков имитаторов РАО-1 и РАО-2, полноразмерных макетов выработок для захоронения РАО, экспериментальных образцов перегрузочного оборудования) 

3. Отработка нестандартизированного оборудования и транспортно-технологических операций обращения с РАО-1 и РАО-2 для обеспечения эксплуатационной безопасности ПГЗРО

Окончательная доработка  нестандартизированного оборудования и перегрузочных операций в подземных условиях (после экспериментальной отработки оборудования и операций в ДИЦ)

Отработка выполнения операций передачи ТУК с эшелона в здание перегрузки, операций перегрузки чехлов с   РАО-1 из ТУК в перегрузочный контейнер ПК, установки ПК на тележку, загрузки тележки с ПК в клеть ствола.

Отработка операций передачи контейнеров с РАО-2 с эшелона в здание перегрузки, установки контейнеров на тележку, загрузки тележки с контейнерами в клеть технологического ствола

Отделение 1 

(отработка выполнения перегрузочных операций в подземных условиях с использованием цифрового двойника ПИЛ и ПГЗРО, полноразмерных макетов и экспериментальных образцов оборудования, полноразмерных макетов выработок для захоронения РАО) 

4. Отработка технологии создания подземных сооружений для обеспечения долговременной безопасности ПГЗРО

Исследование и оптимизация параметров деструкции приконтурных зон при строительстве стволов и горизонтальных выработок

 

-

Отделение 1

(многовариантный анализ технологии создания подземных сооружений ПИЛ и ПГЗРО на цифровом двойнике ПИЛ и ПГЗРО)

5. Исследования технологии создания и параметров систем изолирующих барьеров для РАО-1 и РАО-2 для обеспечения ядерной безопасности ПГЗРО

 

-

 

-

Отделение 2

(исследование технических решений на цифровом двойнике ПИЛ и ПГЗРО, полномасштабные экспериментальные работы с использованием крупномасштабных блоков имитаторов РАО-1 и РАО-2, полноразмерных макетов выработок для захоронения РАО)

6. Демонстрация эксплуатационной, долговременной и ядерной безопасности ПГЗРО независимым экспертам и представителям общественности

 

-

Наглядная демонстрация 

безопасности ПГЗРО

Наглядная демонстрация безопасности ПГЗРО

7. Обучение производственного персонала

Завершающее обучение персонала

Обучение персонала

Обучение персонала

8. Обоснование эксплуатационной, долговременной и ядерной безопасности для получения заключения ГКЗ Роснедра и лицензии Ростехнадзора на возможность промышленной эксплуатации ПГЗРО, а также для положительного заключения международной экспертизы по результатам исследований в ПИЛ

Результаты натурных исследований характеристик массива пород в ближней и дальней зонах. 

Математическое моделирование сорбционно-миграционных процессов в ближней и дальней зонах и обоснование долговременной безопасности ПГЗРО.

Обоснование эксплуатационной безопасности при обращении с РАО-1 и РАО-2 в наземных условиях. 

Обоснование ядерной безопасности в период эксплуатации при временном хранении поступивших по железной дороге невозвратных чехлов с РАО-1 и контейнеров с РАО-2.

С использованием цифрового двойника ПИЛ и ПГЗРО и натурных экспериментов:

  • обоснование эксплуатационной безопасности при обращении с РАО-1 и РАО-2 в подземных условиях; 

  • обоснование ядерной безопасности ПГЗРО в постэксплуатационный период.

Выводы
  1. С целью обеспечения долговременной, ядерной, эксплуатационной безопасности ПГЗРО, для использования при корректировке проектной документации с учетом уточненных исходных данных, разработаны две перспективные схемы размещения чехлов с РАО-1: с тупиковыми скважинами значительно меньшей глубины, чем в проектной документации, и принципиально новый вариант - с горизонтальным размещением чехлов в камерах захоронения. Исследование и отработку технических решений для этих вариантов планируется выполнить на этапах эксплуатации Демонстрационно-исследовательского центра и ПИЛ НКМ.

  2. Для вариантов с тупиковыми скважинами и с горизонтальным размещением чехлов разработаны предварительные параметры подземных сооружений 1-й очереди ПГЗРО на горизонте «-70 м». 

  3. На основании предварительных оценок, для обоих вариантов в составе 1-й очереди ПГЗРО может быть размещено не менее 3500 чехлов по 3 бидона с РАО-1. 

  4. По предварительной оценке, вариант с горизонтальным размещением чехлов с РАО-1 имеет важные преимущества, особенно в связи с тем, что при его использовании можно гарантированно обеспечить выполнение требований по ядерной безопасности. 

  5. Представлено обобщение результатов многочисленных международных исследований по изолирующим свойствам цементных материалов и коррозии сталей. На основании анализа приведенных материалов следует, что с использованием цементной закладки может быть обеспечена долговременная безопасность ПГЗРО на базе практически реализуемых технических решений для схемы с горизонтальным размещением чехлов с РАО-1. На основании лабораторных исследований при эксплуатации Демонстрационно-исследовательского центра и ПИЛ НКМ следует обосновать эффективные характеристики изолирующих барьеров.

  6. Для отработки и обоснования транспортно-технологических схем обращения с РАО, конструкции и параметров нестандартизированного оборудования, конструкции и параметров изолирующих барьеров необходимо выполнить всесторонние исследования в Демонстрационно-исследовательском центре и ПИЛ с использованием математических моделей, лабораторных исследований, а также полноразмерных натурных исследований с использованием экспериментальных образцов транспортно-перегрузочного нестандартизированного оборудования для обращения с РАО, полномасштабных макетов и экспериментальных образцов упаковок для РАО-1 и РАО-2, полномасштабных макетов выработок для захоронения РАО. 

  7. Приведено описание основных направлений исследований в отделениях наземного Демонстрационно-исследовательского центра. 

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 Российской Федерации от 19.10.2012 № 1069.

2. Абрамов А.А., Бейгул В.П. «Создание подземной исследовательской лаборатории на участке «Енисейский» Нижнеканского массива: состояние и дальнейшее развитие работ». URL: htpp://www.atomic-energy.ru/articles/2017/08/22/78690. 

3. «Оптимизация исследований и разработка системы принятия решений по реализации стратегического мастер-плана по оценке и обоснованию долговременной безопасности ПГЗРО для захоронения РАО 1 и 2 класса в Нижне-Канском массиве (участок «Енисейский»)». Отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 29.03.2017 № Н.4д.241.20.17.1044. М., ИБРАЭ РАН, 2017 г.

4. «Стратегия создания пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов», утверждена Генеральным директором Госкорпорации «Росатом» А.Е.Лихачевым 28.03.2018.

5. «Стратегический мастер-план исследований в обоснование безопасности сооружения, эксплуатации и закрытия ПГЗРО в Нижнеканском массиве (Красноярский край)». Одобрен 27.10.2017 на совместном заседании НТС №5 и НТС №10 Госкорпорации «Росатом».

6. «Заключение ГКЗ Роснедра о потенциальной пригодности участка «Енисейский» для глубинного захоронения РАО», протокол от 15.04.2016 № 4523-пс.

7. Бейгул В.П., Павлов Д.И. «Сравнение альтернативных схем захоронения РАО класса 1 в составе ПГЗРО». М., 2019. "Атомная энергия 2.0"  http://www.atomic-energy.ru/articles/2019/11/12/98998.

8. Богатов С.А. «Захоронение остеклованных ВАО в вертикальных скважинах с цементной закладкой – плюсы и минусы с точки зрения обеспечения долговременной безопасности ПГЗРО». М., журнал «Радиоактивные отходы», № 1(2), 2018, с. 21-33 (45 ссылок).

9. NAGRA NTB 08-12. «Corrosion of carbon steel under anaerobic conditions in a repository for SF and HLW in Opalinus Clay». Technical Report 08-12, October 2008 (78 ссылок).

Благодарность

Автор выражает благодарность старшему научному сотруднику ИБРАЭ РАН С.А.Богатову за опубликованный высокопрофессиональный обзор и анализ изолирующих буферных свойств цементной закладки для обеспечения долговременной безопасности ПГЗРО.