23 марта 2022

Концепция горизонтального захоронения радиоактивных отходов 1 класса в ПГЗРО

НО РАО Схема подземной исследовательской лаборатории НО РАО

Автор: В.П. Бейгул, к.т.н., эксперт Департамента инновационного развития и технологий ФГУП «Национальный оператор по обращению с радиоактивными отходами», Москва

Разработана концепция горизонтального захоронения РАО 1 класса в ПГЗРО на Нижнеканском массиве. Предложена конструкция типового модуля для горизонтального размещения невозвратных чехлов с ампулами из коррозионностойкого материала для захоронения РАО 1 класса и контейнеров для РАО 2 класса. Для доставки на ПГЗРО и непосредственно к отсеку захоронения чехлов с РАО 1 класса предложена конструкция универсального транспортно-упаковочного комплекта ТУК-ПК, близкого по размерам к ТУК-108. На основе предлагаемой концепции может быть обеспечена долговременная ядерная и экологическая безопасность, эксплуатационная безопасность ПГЗРО. При использовании горизонтального захоронения РАО 1 класса сохраняются основные проектные решения, принятые в утвержденной ПД.

1. Анализ концепции и основных технических решений в разработанной проектной документации на сооружение  ПГЗРО и ПИЛ​

1.1 Расположение и размеры выбранной площади для размещения ПГЗРО

Начиная с 1970-х годов, в России – на Новой Земле, в Калмыкии, на территориях ФГУП «ПО «Маяк» и ФГУП «Горно-химический комбинат» - выполнялись изыскания и исследования с целью выбора участка для безопасного глубинного захоронения РАО от выполнения военных программ и от переработки ОЯТ.

В период 2002-2004 гг. на участке «Енисейский» в южной части Красноярского края, вначале на площади 70 км2, а затем на 25 км2, были выполнены многоаспектные изыскания с целью обоснования выбора участка для детальных исследований и создания ПИЛ. В результате поэтапных научно-исследовательских и проектно-изыскательских работ, с последовательным сокращением площади и повышением детальности исследований, для создания ПИЛ был рекомендован относительно монолитный блок площадью 2*2.5 км и мощностью по глубине до 4 км [1].

1.2 Исходные данные по объемам РАО и основные технические решения

На стадии разработки «Декларации о намерениях» в 2008 г., на основании полученных исходных данных [1,2], было принято, что общий объем кондиционированных долгоживущих РАО классов 1 и 2 (соответственно РАО-1 и РАО-2), которые в перспективе могут быть окончательно изолированы на участке «Енисейский», может составить до 500 тыс. м3. При этом объем РАО-1 с высоким тепловыделением может составить до 100 тыс. м3.

С целью обеспечения достаточной емкости объекта на ближайшую перспективу, в «Техническом задании» к госконтракту от 17.12.2012 на подготовку проектной документации по строительству объектов ПГЗРО была поставлена задача предусмотреть возможность глубинного  захоронения очень больших объемов РАО, а именно: 7 500 пеналов с РАО-1 (4 500 м³ нетто), 155 000 м³ (нетто) РАО-2.

Установленный срок разработки проектной документации (ПД) – 3 года. 

Рабочая площадь участка горных пород, предусмотренного для размещения упаковок с указанными объемами РАО, в соответствии с выполненными оценками на стадии разработки «Обоснования инвестиций», составила около 0.3 км2 (рисунок 1).

Рисунок 1. Рабочая площадка ПГЗРО на участке «Енисейский»

Для выполнения указанных условий потребовалось разработать в сжатые сроки конструкцию ПГЗРО с очень компактным размещением упаковок с тепловыделяющими РАО-1 и контейнеров с РАО-2 (рисунок 2). Объем горного массива, вмещающий подземные сооружения для захоронения РАО-1 и РАО-2 составил 780*360*75 м, при этом упаковки с РАО-1 захораниваются в технологических скважинах глубиной по 75 м, расположенных между горизонтами «-70 м абс» и «+5 м абс» на глубинах около 500 м [3].

Рисунок 2. Схема основных подземных сооружений ПГЗРО на горизонтах «-70 м абс» и «+5 м абс» и технологической скважины между горизонтами

На основе принятых в ПД [4] технических решений по созданию ПГЗРО была обоснована возможность компактно разместить указанные в ТЗ объемы РАО на 70% предусмотренной рабочей площади, в т.ч. с соблюдением ограничений по тепловому воздействию на вмещающий массив пород.

С учетом обобщения российского и международного опыта, в 2010-2015 гг. (начиная с этапа «Обоснования инвестиций») разработаны достаточно работоспособные транспортно-технологические схемы для обращения с РАО, разработана проектная документация на сооружение  ПГЗРО и ПИЛ на участке «Енисейский» [4] в южной части Красноярского края, на промышленной площадке ФГУП «Горно-химический комбинат» (ГХК). Получены положительные заключения Государственной экологической экспертизы (07.12.2015) и Главгосэкспертизы (11.03.2016), а также одобрение проекта на региональных общественных слушаниях.

Это подтвердило обоснованность основных проектных решений в утвержденной ПД.

С целью совершенствования принятых проектных решений, безусловного обеспечения долговременной безопасности ПГЗРО, а также эксплуатационной безопасности, специалистами ИБРАЭ РАН [5] и ФГУП «НО РАО» [6], в соответствии с международными рекомендациями по созданию объектов глубинного захоронения РАО и с учетом рекомендаций ГКЗ «Роснедра» от 13.04.2012 и 03.02.2016, выполнен всесторонний анализ технических решений в ПД и разработаны рекомендации с целью повышения долговременной безопасности и технико-экономической эффективности ПГЗРО.

В целях регламентированного и согласованного выполнения работ при создании ПГЗРО, в Госкорпорации «Росатом» была разработана «Стратегия создания пункта глубинного захоронения РАО» [7], которая утверждена 28.03.2018 Генеральным директором  Госкорпорации «Росатом» А.Е.Лихачевым. В «Стратегии» определены содержание и сроки выполнения основных фаз создания и эксплуатации ПИЛ и ПГЗРО.

В 2020 г. ИБРАЭ РАН назначен научным руководителем работ по созданию ПГЗРО. Под руководством ИБРАЭ РАН с участием специализированных организаций выполняются всесторонние исследования в соответствии с разработанным в 2018 г. «Стратегическим мастер-планом исследований».

Ниже представлено описание предложений по совершенствованию технических решений по созданию ПГЗРО, рекомендуемых автором для исследования и проработки в демонстрационно-исследовательском центре (ДИЦ) и в ПИЛ. 

2. Предложения от 2021 г. по корректировке концепции и технических решений по обращению с РАО в ПГЗРО

2.1. Разработка нового невозвратного чехла для хранения, транспортирования и горизонтального захоронения РАО-1

2.1.1. Упаковки для обращения с РАО-1 в ПД

  • ТУК-140/1 – транспортно-упаковочный комплект многократного использования, который имеет следующие параметры: диаметр – 2.3 м, высота – 4.6 м, толщина стенок 42.0 см из стали или высокопрочного чугуна, масса – около 105 т.
    Комплект ТУК-140/1 служит для доставки по железной дороге пеналов с РАО-1 до ПГЗРО. В ТУКе размещаются три невозвратных чехла. В здании перегрузки ПГЗРО чехлы перегружаются по одному в перегрузочный контейнер ПК, в котором доставляются к скважине захоронения РАО.

  • Перегрузочный контейнер ПК, многократного использования. Габаритные размеры ПК: диаметр – 1.38 м, высота – 4.17 м. Снаряженная масса ПК (брутто) до 40 т., с толщиной стенки 35 см из стали или высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧШГ.
    Перегрузочный контейнер служит для перевозки невозвратного чехла с пеналом от здания перегрузки до скважины захоронения РАО.

  • Параметры контейнера изолирующего КИ: диаметр 1.2 м, высота 4.1 м, снаряженная масса 10 т. В КИ помещается один невозвратный чехол с пеналом.

По рекомендации специалистов ФГУП «ПО «Маяк» от 13.12.2017, накопленные бидоны с РАО-1 перед отправлением на захоронение следует перепеналировать из существующих пеналов в новые упаковки, которые должны обеспечить необходимую прочность на всех этапах - от вывоза с территории ФГУП «ПО «Маяк» до захоронения на ПГЗРО, а также длительную коррозионную стойкость в условиях захоронения в ПГЗРО.

По состоянию на 2017 г. количество необходимых чехлов НЧ на 3 бидона составляло 4 506 штук. С учетом продолжающейся на ФГУП «ПО «Маяк» переработки ОЯТ необходимое количество чехлов НЧ составит не менее 7 000 штук. 

2.1.2. Предварительные предложения по созданию невозвратного чехла из коррозионностойкого материала на основе карбида кремния

В 2015 г. в ФГУП «НО РАО», по предложению ООО «Керамические технологии», рассматривалась возможность изготовления невозвратных чехлов НЧ из карбида кремния. Преимуществом материалов на основе карбида кремния перед другими материалами является их высокая коррозионная стойкость. Однако, в связи с принятой в утвержденной ПД концепцией захоронения упаковок с РАО-1 в скважинах глубиной 75 м и наличием сложных перегрузочных операций при доставке НЧ на захоронение, в 2015 г. от использования карбида кремния отказались из-за высокого риска разрушения НЧ в процессе транспортно-перегрузочных операций.

В настоящее время, в рамках предлагаемой концепции горизонтального захоронения РАО-1, при которой исключается вероятность потенциально опасного падения чехлов, рассматривается возможность использования перспективных материалов на основе карбида кремния для изготовления защитных ампул для бидонов с РАО-1. 

Предлагается изготавливать контейнер (ампулу) из материала на основе карбида кремния емкостью на один бидон с РАО-1, с последующим формированием стального невозвратного чехла НЧ на 3 ампулы. В таблице 1 приведены параметры ампулы на 1 бидон и стального чехла на 3 ампулы.

Таблица 1. Предварительные параметры ампулы из материала на основе карбида кремния на 1 бидон и стального чехла НЧ на 3 ампулы

 

Наименование параметра

Ампула из карбида кремния на 1 бидон

Стальной НЧ на 3 бидона с ампулами 

1

2

3

1. Бидон с остеклованными ВАО

  • диаметр, мм

  • высота, мм

 

575

1000

2. Упаковка (ампула, чехол НЧ)

2.1. Диаметр, мм 

внешний, мм

внутренний, мм

2.2. Высота внутренней полости, мм

2.3. Толщина стенки, мм

2.4. Высота крышки ампулы с грибком, мм

2.5. Материал

2.6. Общая высота с грибком, мм

 

 

700

600

до 1200

50

до 150

материал на основе карбида кремния

до 1250

 

 

до 750     

730          

до 3800

до 8

-

 сталь 

до 3900

3. Буфер внутри чехла

4. толщина слоя, мм

5. материал

 

10

стекло

 

10

стекло

Предварительное описание изготовления ампулы из материала на основе карбида кремния и стального чехла НЧ на 3 бидона:

  • В ампулу внутренним диаметром 600 мм будет опускаться 1 бидон диаметром 575 мм высотой 1000 мм с высокоактивным стеклом (на территории ФГУП «ПО «Маяк»). После опускания бидона пустотное пространство внутри ампулы следует заполнить жидким стеклом. Затем в ампулу опускается крышка и заваривается стык крышки с ампулой.

  • Внутрь стального чехла НЧ будут опускаться 3 герметичные ампулы. Затем пустотное пространство внутри НЧ следует заполнить  жидким стеклом, установить на чехол крышку с «грибком» и заварить стык. Технология установки крышки с «грибком» и заваривания стыка в стальных пеналах отработана на ФГУП «ПО Маяк» для изготовления существующих пеналов на 3 бидона.

Заготовки для создания ампул из материала на основе карбида кремния и крышки ампул целесообразно изготавливать на специализированном предприятии. Технологию создания герметичных ампул из поступивших заготовок следует разработать с учетом технических возможностей, существующих на ФГУП «ПО «Маяк», предварительные предложения представлены в [8].

Заполнение жидким стеклом пустотного пространства внутри ампулы и чехла НЧ повысит механическую прочность и изолирующие свойства предлагаемой многослойной упаковки.

В настоящее время в ООО «Керамические технологии» разработана технология изготовления ампул из материала на основе карбида кремния с размерами: внутренний диаметр - до 600 мм, толщина стенки - до 50 мм, длина - до 1500 мм. Этого достаточно для размещения в такой ампуле бидона с размерами: диаметр 575 мм, высота 1000 мм.

На основании предварительных данных ООО «Керамические технологии», скорость коррозии упаковки из материала на основе карбида кремния составляет (0.6–0.8)*10-6 м/год. Таким образом, ожидаемый период сквозной коррозии ампулы, после проникновения к ней подземных вод, может составить до 60 000 лет. 

Однако для уточнения скорости коррозии стенки ампулы в реальных условиях захоронения необходимо продолжить обобщение результатов международных исследований и выполнить в ДИЦ и ПИЛ собственные исследования коррозионной стойкости ампулы из материала на основе карбида кремния, в т.ч. с учетом длительного контакта с увлажненным бентонитом. На основании выполненных исследований может быть предложено уточнение состава рекомендуемого коррозионностойкого материала.

2.2. Описание схемы размещения упаковок с РАО-1 и контейнеров с РАО-2 в горизонтальной подземной камере с каньоном

Вариант с горизонтальным размещением упаковок с РАО-1 в ПГЗРО был предложен ФГУП «НО РАО» в 2019 г. для корректировки утвержденной ПД по созданию ПГЗРО и ПИЛ.

С целью определения реального содержания ЯДМ в накопленных пеналах, начиная с 2017 г. выполнялись работы с участием специалистов ФГУП «ПО «Маяк» и ФГУП «НО РАО». С учетом полученных актуализированных данных о радионуклидном составе накопленных на ФГУП «ПО «Маяк» остеклованных ВАО, предлагаемая концепция с горизонтальным захоронением РАО-1 гарантированно обеспечит исключение сценариев с возможностью возникновения СЦР. Причем на ФГУП «ПО «Маяк» имеется возможность избирательно загрузить в новый чехол НЧ бидоны из двух различных пеналов, что, в случае необходимости, можно использовать для обеспечения допустимого суммарного количества ЯДМ в новом НЧ.

В развитие предложений от 2019 г., в 2021 г. автором были продолжены исследования по горизонтальному захоронению чехлов НЧ с РАО-1.

При разработке конструкции отсеков для горизонтального захоронения НЧ с РАО-1 предлагается использовать в качестве аналога разработанную в ПД для захоронения контейнеров с РАО-2 на горизонте «-70 м абс» [4] конструкцию подземной выработки с каньоном с  размерами: верхняя галерея – ширина 5.85 м, высота 7.2 м; траншея – ширина 5.15 м, высота 4.6 м. Общая высота выработки – 11.8 м.

На рисунке 3 показаны поперечный и продольный разрезы предлагаемого типового отсека для захоронения чехлов НЧ с РАО-1 и контейнеров с РАО-2. Габаритные размеры верхней галереи сводовой формы – ширина 7.0 м, высота 6.0 м; траншеи – ширина 6.0 м, высота 6.0 м. Общая высота – 12.0 м. Длина отсека составляет 23 м. Отсеки отделены друг от друга перегородками толщиной около 0.3 м.

Рисунок 3. Поперечное и продольное сечения типового отсека с каньоном для захоронения новых чехлов НЧ с РАО-1 и контейнеров с РАО-2

В траншее размещаются 13 рядов контейнеров с РАО-2 размерами 1.65 *1.65*1.38 м, по 6 контейнеров в ряду. В верхней части траншеи захораниваются 6 чехлов НЧ диаметром 750 мм высотой 3.9 м, расположенных поперек оси отсека. Чехлы НЧ отделены от контейнеров с РАО-2 и от стенок слоями бентонита толщиной более 1.0 м.  В верхней галерее также размещаются 6 чехлов НЧ, расположенных поперек оси отсека.

Всего в отсеке захораниваются 12 чехлов НЧ с РАО-1 и 78 контейнеров с РАО-2.

Параметры отсека и толщину перегородок между ними следует уточнить на основании результатов дальнейших исследований в ДИЦ, в т.ч. в результате проработки технологии сооружения траншеи и поэтапной загрузки в отсек контейнеров с РАО-2 и  чехлов НЧ, поэтапного заполнения пустотного пространства изолирующим материалом.

С целью обеспечения долговременной безопасности ПГЗРО, в качестве высокоэффективных инженерных барьеров безопасности предлагается использовать пластины из уплотненного бентонита, которые следует закрепить на боковых стенках отсека: в верхней галерее ориентировочно до высоты 3.5 м, в траншее – на всю высоту 6.0 м. На днище траншеи также закрепить пластины из уплотненного бентонита, а поверх слоя из уплотненного бентонита насыпать защитный слой из бентонитового глинопорошка толщиной 0.2 м (на который будут устанавливаться контейнеры с РАО-2).

На основании опубликованных данных [9-11 и др.], бентонит имеет высокие длительные изолирующие свойства. В соответствии с рекомендациями [9], толщину пластин из уплотненного бентонита предварительно можно принять 300 мм. 

Оставшееся пустотное пространство внутри верхней и нижней частей отсека предварительно рекомендуется заполнить бентонитовым глинопорошком. При этом может быть использована технология заполнения пустотного пространства, экспериментально опробованная в ФГУП «Горно-химический комбинат» при выполнении в 2021 г. договора с ФГУП «НО РАО» по исследованию на экспериментальном стенде с размерами 5.5*5.85*6.0 м технологии заполнения пустотного пространства модулей захоронения РАО классов 3 и 4 применительно к ППЗРО в Озерске и Северске.

Уточненные параметры инженерных барьеров и отсека предполагается выбрать в дальнейшем на основании результатов расчетов по оценке долговременной безопасности ПГЗРО, а также экспериментальных исследований в ДИЦ и ПИЛ. 

В таблице 2 приведено сравнение параметров инженерных барьеров при захоронении РАО-1 в технологической скважине и горизонтальном отсеке.

Таблица 2. Сравнение параметров инженерных барьеров безопасности в технологической скважине и горизонтальном отсеке захоронения

Технологическая скважина диаметром 1300 мм [10]

Горизонтальный отсек шириной 6000 – 7000 мм

  • матрица из алюмофосфатного стекла;

  • стенка бидона толщиной 4 мм, углеродистая сталь;

  • стальные чехлы, 12 мм.

Изолирующий контейнер КИ:

  • стальные стенки, 11 мм;

  • прессованный бентонит, 190 мм;

  • кальций-алюминатный бетон, 60 мм.

 

Общий объем воздушных полостей внутри КИ – 20%

  • матрица из алюмофосфатного стекла

  • стенка бидона толщиной 4 мм, углеродистая сталь

  • буферный слой алюмофосфатного стекла толщиной 10 мм, внутри ампулы

  • стенка ампулы толщиной 50 мм из коррозионностойкого материала

  • буферный слой алюмофосфатного стекла толщиной 10 мм, внутри чехла НЧ 

  • стенка чехла НЧ толщиной 8 мм, углеродистая сталь;

  • слой увлажненного бентонитового глинопорошка толщиной 1200 мм;

  • тиксотропный шликер, 50 мм

  • пластины из прессованного бентонита толщиной не менее 300 мм.

По предварительным оценкам, совокупность инженерных барьеров безопасности в предлагаемом варианте с горизонтальным захоронением РАО-1 может обеспечить надежную локализацию долгоживущих радионуклидов на значительно более длительный период, чем для варианта с захоронением в скважинах.  

2.3 Описание транспортно-технологических операций по обращению с РАО-1 с использованием нового транспортно-упаковочного комплекта ТУК-ПК

2.3.1. Описание ТТС обращения с РАО-1 в здании перегрузки в соответствии с ПД

Здание перегрузки на поверхности ПГЗРО делится на два отделения и предназначено для проведения транспортно-перегрузочных операций приема доставленных по железной дороге упаковок с РАО-1 и РАО-2 и подготовки их для спуска по технологическому стволу на горизонт захоронения. 

На рисунке 4 показано, что для перегрузки НЧ из ТУК-140/1 в перегрузочный контейнер ПК необходимо предусмотреть в здании перегрузки дополнительное пространство по высоте не менее 5 м для подъема НЧ из ТУК-140/1 с использованием кранового оборудования на 120 т.

Рисунок 4. Перегрузка пенала из ТУК-140/1 в ПК, кантование ПК в горизонтальное положение

На горизонте захоронения чехол НЧ с РАО-1 в перегрузочном контейнере ПК доставляется от технологического ствола к скважине захоронения и передается для выполнения дальнейших операций по загрузке НЧ в составе изолирующего контейнера КИ в скважину с использованием многофункциональной загрузочной платформы МФЗП. 

При использовании горизонтального захоронения чехлов с РАО-1 и рассмотренной ниже сквозной ТТС доставки чехлов с территории ФГУП «ПО «Маяк» непосредственно до отсека захоронения РАО на ПГЗРО без перегрузок могут быть практически исключены радиационно опасные аварийные ситуации, а также ожидается экономия при создании здания перегрузки.

2.3.2. Предложение по созданию сквозной ТТС доставки упаковок с РАО-1 с использованием нового транспортно-упаковочного комплекта ТУК-ПК 

Специалистами «СПб филиала «Элерон-ВНИПИЭТ» в 2016 г., по заказу  ФГУП «ПО «Маяк», выполнен сравнительный анализ технологических операций по вывозу пеналов с остеклованными ВАО с территории ФГУП «ПО «Маяк» с использованием ТУК-140/1 и ТУК-108/р [12]. Было обосновано, что при использовании ТУК-108/р потребуется меньше дополнительных мероприятий и затрат для обеспечения вывоза чехлов. 

На основании сравнения параметров ТУК-108/р и разработанного в ПД перегрузочного контейнера ПК (таблица 3) представляется возможным, на основе использования ПК в качестве аналога ТУК-108/р, создать универсальный транспортно-упаковочный комплект ТУК-ПК для защиты чехла НЧ диаметром 750 мм на всех этапах доставки до отсека захоронения без перегрузок, исключить значительное количество транспортно-перегрузочных операций.

Таблица 3. Предварительные параметры ТУК-ПК в сравнении с ТУК-108/р и ПК

Параметр

Транспортно-упаковочный комплект

ТУК-108/р

ПК (в ПД)

ТУК-ПК

Высота контейнера, мм

4 600

4170

до 4600*)

Высота внутренней полости, мм

3 530

3530

до 4000*)

Диаметр наружный, мм

1 620

1380

до 1600*)

Диаметр внутренний, мм

776

670

до 900*)

Толщина стенки, мм

422

350

до 350*)

Вместимость контейнера,

пеналов или чехлов НЧ

1 пенал 

с тремя бидонами

1 чехол НЧ 

с тремя бидонами

1 чехол НЧ 

с тремя бидонами

Масса упаковки с РАО, т

до 40

до 40

до 40*)

Среда внутри контейнера

воздух

воздух

воздух

Материал корпуса ТУК

бетон особо прочный сверхтяжелый

сталь

или ВЧШГ

сталь

*) – параметры будут уточнены при разработке эскизного проекта ТУК-ПК, с учетом снижения активности накопленных РАО-1 в результате радиоактивного распада радионуклидов за период до начала эксплуатации ПГЗРО и требований при перевозке ТУК по железной дороге.

Результаты предлагаемых корректировок технических решений по транспортированию РАО-1 с территории ФГУП «ПО «Маяк» и горизонтальному захоронению на ПГЗРО:

  • упаковки с тепловыделяющими РАО-1 размещать не в глубоких вертикальных скважинах, а горизонтально в горизонтальных подземных выработках с каньонами, параметры которых близки к параметрам аналогичных выработок, в которых в утвержденной ПД размещались контейнеры с РАО-2;

  • ампулу для размещения одного бидона с РАО-1 предварительно рекомендуется изготавливать толщиной 50 мм из коррозионностойкого материала, например из материала на основе карбида кремния;

  • предлагается выполнять на территории ФГУП «ПО «Маяк» перепеналивание бидонов с РАО-1:  извлечение бидонов из накопленных пеналов, перегрузка бидонов по одному в коррозионностойкую ампулу емкостью на 1 бидон и затем в стальной невозвратный чехол НЧ на 3 ампулы, пустотное пространство внутри ампулы и НЧ после загрузки бидонов рекомендуется заполнять неактивным жидким стеклом;

  • с целью максимального исключения перегрузочных операций с НЧ на всех этапах доставки – от вывоза НЧ из ФГУП «ПО «Маяк» до размещения в горизонтальном отсеке захоронения РАО – в качестве транспортно-упаковочного комплекта предлагается использовать новый металлический ТУК-ПК, который будет близким аналогом разработанного в ПД перегрузочного контейнера ПК;

  • новый ТУК-ПК близок по размерам к ТУК-108/р, для которого в 2016 г. специалисты «СПб филиала «Элерон-ВНИПИЭТ» разработали ТТС обращения с пеналами на территории ФГУП «ПО «Маяк» для их вывоза на ПГЗРО;

  • для вывоза на ПГЗРО с территории ФГУП «ПО «Маяк» ТУК-ПК с НЧ будут устанавливаться вертикально по 3 ТУК-ПК на платформу, аналогично варианту с ТУК-108/р; 

  • всего в эшелоне из 8-ми вагонов за один рейс могут перевозиться по 24 ТУК-ПК и доставляться в здание перегрузки ПГЗРО; 

  • с учетом длительности технологических операций при вывозе чехлов НЧ с территории ФГУП «ПО «Маяк» максимальное годовое количество рейсов одного эшелона может составить до 8 единиц при длительности рейса 45 суток;

  • на площадке ПГЗРО ТУК-ПК с НЧ поступает в здание перегрузки, затем спускается по технологическому стволу и доставляется на горизонте «-70 м» до отсека захоронения; 

  • непосредственно  у отсека захоронения РАО чехол НЧ выгружается из горизонтально расположенного ТУК-ПК, затем с помощью крана перемещается горизонтально на небольшой высоте над слоем буферного барьера из бентонитового глинопорошка и устанавливается горизонтально поперек оси отсека; 

  • после выгрузки НЧ порожний ТУК-ПК возвращается на поверхность в здание перегрузки, в случае необходимости дезактивируется, и загружается в эшелон для возврата на ФГУП «ПО «Маяк»;

  • по предварительным оценкам, максимальное годовое количество захораниваемых НЧ с РАО-1 будет ограничиваться длительностью полного цикла приема и захоронения на ПГЗРО 24-х НЧ с РАО-1, поступивших с эшелоном. 

Технология загрузки чехлов НЧ в отсеки захоронения РАО на ПГЗРО должна быть наглядно исследована в динамике и обоснована на основании имитационного моделирования с использованием динамической 4D модели, а затем отработана на основании натурных экспериментов. В результате будет уточнен необходимый темп вывоза НЧ с территории ФГУП «ПО «Маяк» и максимальный годовой объем захоронения РАО-1 на ПГЗРО.

3. Сравнение с ПД и актуальность предлагаемых технических решений

3.1 Преимущества, по сравнению с ПД, предлагаемой концепции горизонтального захоронения РАО-1 на ПГЗРО

В таблице 4 приведены предварительные ожидаемые качественные и количественные оценки улучшения долговременной ядерной и экологической безопасности, эксплуатационной безопасности, технико-экономической эффективности ПГЗРО в результате использования предлагаемых корректировок технических решений.

При сравнении вариантов корректировки технических решений с принятыми в ПД главным критерием является обеспечение долговременной ядерной и экологической безопасности в постэксплуатационный период и эксплуатационной безопасности ПГЗРО. 

Таблица 4. Предварительные ожидаемые качественные и количественные оценки улучшения основных показателей ПГЗРО

Мероприятие

Долговременная и ядерная безопасность

Эксплуатационная безопасность

Технико-экономическая эффективность

1. Отказ от вертикального захоронения чехлов НЧ с РАО-1.

Горизонтальное размещение чехлов НЧ с РАО-1 и контейнеров с РАО-2 в выработках с каньоном

  • Устраняется потенциальная возможность накопления опасных количеств ядерных делящихся нуклидов на дне технологической скважины.

  • С использованием ампул из коррозионностойкого материала и бентонитовых барьеров большой толщины может быть обеспечено эффективное длительное задержание радионуклидов в пределах системы инженерных барьеров.   

Значительно снижаются риски потенциальных аварийных ситуаций вследствие отказа от  загрузки 7500  КИ с РАО-1 в 416 скважин глубиной 75 м в дистанционном режиме с видеоконтролем. 

Исключаются затраты на разработку и изготовление нестандартизированного оборудования:

  • многофункциональной загрузочной платформы МФЗП,

  • изолирующего контейнера КИ диаметром 1.2 м, высотой 4.1 м (7500 штук),

  • многофункционального шуруповерта.

2. Отказ от создания вертикальных технологических скважин глубиной 75 м диаметром 1.3 м между горизонтами для захоронения РАО-1 

  • Исключается нарушение массива пород между горизонтами системой скважин глубиной 75 м по сетке 15*23 м, что повышает изолирующие свойства массива пород в ближней зоне ПГЗРО.

  • Создается возможность независимого строительства дополнительных горизонтов для захоронения РАО и независимой их эксплуатации.

  • Значительно увеличивается эффективность использования подземного пространства и срок полезного использования разведанного участка горного массива. 

 

-

Исключаются затраты на выполнение работ:

  • бурение скважин по 75 м (416 штук),

  • создание буровых камер (416 штук).

3. Отказ от использования ТУК-140/1.

Реализация сквозной технологии доставки РАО-1 до отсека захоронения с использованием нового ТУК-ПК

 

-

Практически исключаются риски потенциальных аварийных ситуаций  на всех этапах при доставке чехлов НЧ с РАО-1 непосредственно до отсека захоронения.

Исключается разработка и изготовление ТУК-140/1 массой 105 т.

В здании перегрузки:

  • высота здания перегрузки уменьшается на 5 м,

  • крановое оборудование на 120 т заменяется на 50 т.  

3.2 Актуальность выполнения работ в рамках ПИЛ и Демонстрационно-исследовательского центра для корректировки технических решений по обращению с РАО в ПГЗРО

В соответствии со «Стратегией создания ПГЗРО», утвержденной Генеральным директором Госкорпорации «Росатом» [7], определены следующие первоочередные Фазы работ:

  • Фаза № 1 «Подготовительные работы по созданию ПИЛ». 

  • Фаза № 2 «Сооружение демонстрационного центра и основных сооружений ПИЛ». 

  • Фаза № 3 «Эксплуатация и развитие ПИЛ».

  • Фаза № 4 «Принятие решения о возможности создания ПГЗРО. Лицензирование деятельности по сооружению ПГЗРО. Реализация мероприятий по сооружению 1-й очереди ПГЗРО».

В результате выполнения Фаз 1-3 должны быть выполнены все исследования, необходимые для перехода к фазе 4. В настоящее время под руководством ФГУП «НО РАО» и ИБРАЭ РАН проводятся работы в рамках фаз 1 и 2.   

Выполнение мероприятий, указанных в таблице 3, подготовит условия для разработки и изготовления необходимого нестандартизированного оборудования с учетом замены ТУК-140/1, для корректировки и оптимизации проектных решений по зданию перегрузки ПГЗРО, разработки и реализации мероприятий для обеспечения вывоза упаковок с РАО-1 с территории ФГУП «ПО «Маяк», для безусловного обеспечения ядерной безопасности ПГЗРО.

В рамках Фаз 2 и 3, для подготовки перехода к Фазе 4, в т.ч. для получения лицензии на эксплуатацию ПГЗРО, потребуется выполнить следующие длительные разработки и исследования, а также разработать, изготовить, исследовать и сертифицировать следующее нестандартизированное оборудование: 

  • Разработка, изготовление, экспериментальное исследование, сертификация опытных образцов нестандартизированного оборудования, в т.ч. ампул из коррозионностойкого материала, стальных невозвратных чехлов НЧ, универсального транспортно-упаковочного комплекта ТУК-ПК на основе перегрузочного контейнера ПК, а также контейнеров для захоронения РАО-2 с использованием перспективных материалов.

  • Исследование на имитационных цифровых моделях и в ДИЦ выполнения в подземных условиях операций по сооружению отсеков захоронения РАО, поэтапной загрузки в отсек чехлов НЧ с РАО-1 и контейнеров с РАО-2, разработка и исследование конструкции системы инженерных барьеров с использованием толстых пластин из уплотненного бентонита и мощных барьеров из бентонитового глинопорошка, технологии заполнения пустотного пространства в отсеках изолирующей смесью.

  • Длительные исследования в ДИЦ показателей длительной коррозионной стойкости ампул из коррозионностойких материалов в условиях взаимодействия с увлажненным бентонитом, исследование показателей диффузии и сорбции важнейших долгоживущих радионуклидов из захораниваемых РАО в процессе миграции в мощных бентонитовых барьерах. 

  • Математическое моделирование сорбционно-миграционных процессов в инженерных барьерах и определение в динамике максимальных годовых объемов выхода радионуклидов за пределы инженерных барьеров, которые будут использоваться для обоснования длительной экологической безопасности ПГЗРО с учетом моделирования сорбционно-миграционных процессов в ближней и дальней зонах горного массива.

С целью создания к 2030 г. отработанных технических решений и нестандартизированного оборудования, необходимых для корректировки проектной документации и подготовки к промышленной эксплуатации ПГЗРО, представляется актуальным начинать в ближайшее время выполнение вышеуказанных исследований и разработок, которые будут проводиться параллельно с многоаспектными исследованиями характеристик горного массива в ближней и дальней зонах ПГЗРО. 

В настоящее время под руководством ИБРАЭ РАН, который является научным руководителем создания ПГЗРО, создан Железногорский филиал ИБРАЭ РАН, что обеспечит полноценное целенаправленное исследование характеристик горного массива в ближней и дальней зонах. В режиме ВКС с участием всех организаций-исполнителей исследований, выполняемых в соответствии со «Стратегическим мастер-планом», под руководством ИБРАЭ РАН проводится согласование методических подходов и обсуждение результатов исследований. 

Важным результатом является разработка единого методического подхода к обоснованию долговременной безопасности, который отражен в разработанном нормативном документе РБ-003-2021 «Руководство по безопасности при использовании атомной энергии. Оценка долговременной безопасности пунктов глубинного захоронения радиоактивных отходов» [13]. 

В 2022-2023 гг. под руководством ИБРАЭ РАН планируется выполнение большого объема актуальных исследований, что позволит устранить значительное количество замечаний экспертизы к условиям действующей до 2026 г. лицензии Ростехнадзора на размещение и сооружение пункта хранения радиоактивных отходов, с целью обеспечения возможности выполнять работы в ПИЛ после 2026 г.

При создании ДИЦ для натурных исследований рекомендуется использовать конструкцию инженерных барьеров, рассмотренную в разделе 2.2. Выполняемые в настоящее время высокопрофессиональные исследования характеристик инженерных барьеров для ПГЗРО, представленные в [9-11 и др.], ориентированы на устаревшие конструктивные решения, разработанные в 2009-2010 гг., которые предусматривают захоронение упаковок с РАО-1 в вертикальных технологических скважинах, с неизбежными ограничениями максимальной мощности барьеров безопасности, поэтому не в полной мере актуальны.

4. Предварительная оценка перспектив развития ПГЗРО для захоронения РАО-1 и РАО-2

4.1. Предварительная оценка объемов захоронения РАО-1 и РАО-2 на горизонте 

При расстояниях 20 м между осями выработок на одном горизонте можно разместить 38 выработок захоронения РАО. Общее количество отсеков по 23 м в каждой выработке составит 13, всего на горизонте могут быть созданы 494 отсека. 

При этом на горизонте «- 70 м абс», по предварительной оценке, можно захоронить  5 928 чехлов с РАО-1 (7114 м3) и 38 532 контейнеров с РАО-2 (115 600 м3). Однако с учетом возможной отбраковки некоторых участков подземных выработок, в связи с пересечением мощными зонами нарушений, указанные ожидаемые объемы РАО, захораниваемых на горизонте, могут уменьшиться.

Оптимальные параметры в схеме типового отсека, представленной на рисунке 2, планируется уточнить в дальнейшем на основании теплофизических расчетов и экспериментальных исследований в ДИЦ и ПИЛ. Соответственно будут скорректированы возможные объемы захоронения РАО на горизонте.

В результате выполненного в ФГУП «НО РАО» в 2019 г. анализа [6], фактическое удельное тепловыделение накопленных на ФГУП «ПО «Маяк» РАО-1 на момент захоронения после 2035 г. составит около 0.7 кВт/м3. В связи с ожидаемыми высокими изолирующими свойствами ампулы и чехла НЧ, выход радионуклидов в бентонитовый барьер и тем более в массив пород может начаться только после снижения температуры в барьерах до исходной температуры в массиве, что способствует повышению долговременной безопасности ПГЗРО.

4.2. Перспективные предварительные оценки объемов захоронения РАО на ПГЗРО

На основании развития и внедрения перспективных решений по технологии переработки ОЯТ, представленных в [14], значительное повышение эффективности использования подземного пространства ПГЗРО может быть достигнуто в результате отдельного извлечения при переработке ОЯТ тепловыделяющих фракций – «цезий+стронций» и «америций+кюрий». В настоящее время выполняются проработки для реализации этой перспективной технологии с учетом ранее выполненных экспериментальных работ на ФГУП «ПО «Маяк».

Удельное тепловыделение оставшейся долгоживущей фракции после выдержки в течение 50 лет составит 0.12 кВт/м3 [14]. Учитывая возможность эффективного горизонтального захоронения РАО-1 при удельном тепловыделении порядка 0.5 кВт/м3 и наличия в ПГЗРО необходимых объемов подземных сооружений, можно значительно сократить длительность выдержки этой фракции РАО-1 перед захоронением. Для безопасного захоронения двух выделенных фракций с высоким тепловыделением также имеются необходимые площади на разведанном участке «Енисейский» (рисунок 1).

В предложении ФГУП «НО РАО» от 2019 г. по корректировке ПД  была показана возможность, в случае перехода к горизонтальному размещению НЧ с РАО-1, создания в ПГЗРО для захоронения больших объемов РАО-2 промежуточных горизонтов «-45 м абс», «-20 м абс» дополнительно к горизонтам «+5 м абс» и «-70 м абс», предусмотренным в утвержденной ПД. 

К достоинствам предлагаемого варианта следует отнести, что при переходе к горизонтальному захоронению упаковок с РАО-1 сохраняются основные проектные решения, принятые в утвержденной ПД, а именно: три вертикальных ствола, горизонтальные подземные сооружения для строительства подземных сооружений, подземного транспортирования и захоронения РАО, весь комплекс наземных зданий и сооружений. Исключаются только эксплуатационные вертикальные технологические скважины, которые предполагалось сооружать в ходе эксплуатации ПГЗРО.

С учетом значительного снижения удельного тепловыделения захораниваемой долгоживущей фракции РАО-1 и создания 4-х рабочих горизонтов для захоронения РАО, на базе ПГЗРО может быть обеспечено окончательное захоронение всех объемов долгоживущих РАО-1 и РАО-2, ранее накопленных и вновь образующихся при переработке ОЯТ на ФГУП «ПО «Маяк» и ФГУП «ГХК», а также больших объемов накопленных и вновь образующихся РАО-2 от других производств. 

Выводы

  1. Основные проектные решения в утвержденной ПД достаточно обоснованы и работоспособны, что подтверждено положительными заключениями Государственной экологической экспертизы и Главгосэкспертизы, а также одобрением проекта на региональных общественных слушаниях.

  2. С 2018 г. работы по созданию ПГЗРО и ПИЛ выполняются в соответствии с регламентирующими документами, утвержденными руководством Госкорпорации «Росатом»: «Стратегией создания пункта глубинного захоронения РАО» и «Стратегическим мастер-планом исследований». Научным руководителем работ по созданию ПГЗРО является ИБРАЭ РАН.

  3. Специалистами ФГУП «НО РАО» в 2019 г. были разработаны предложения по горизонтальному захоронению невозвратных чехлов с РАО-1 в ПГЗРО. 

  4. В статье представлены разработанные в 2021 г. дополнительные комплексные мероприятия с целью повышения долговременной экологической, ядерной и эксплуатационной безопасности, технико-экономической эффективности, обеспечения перспективного развития ПГЗРО.

  5. С учетом применения горизонтального размещения чехлов НЧ с РАО-1 и с целью длительной локализации долгоживущих радионуклидов, предлагается перепеналировать бидоны с высокоактивными ВАО ФГУП «ПО «Маяк» в ампулы из коррозионностойкого материала с толщиной стенки 50 мм. Это значительно повысит долговременную безопасность ПГЗРО. С использованием имеющегося задела следует разработать и обосновать промышленную технологию создания перспективного коррозионностойкого материала, доработать конструкцию и технологию создания многослойных упаковок для РАО-1.  

  6. При горизонтальном размещении невозвратных чехлов НЧ с РАО-1 будет гарантированно обеспечена долговременная ядерная безопасность ПГЗРО.

  7. Разработана предварительная конструкция типового модуля захоронения РАО на ПГЗРО - горизонтального отсека длиной 23 м для захоронения 12 чехлов с РАО-1 и 78 контейнеров с РАО-2. В качестве аналога конструкции отсека предложено использовать горизонтальные выработки с каньоном, разработанные в утвержденной ПД. 

  8. С целью обеспечения долговременной безопасности ПГЗРО, на стенах и на полу отсека предлагается установить пластины из уплотненного бентонита толщиной 300 мм. После загрузки упаковок с РАО-1 и РАО-2 пустотное пространство внутри отсека предварительно рекомендуется заполнить бентонитовым глиняным порошком, в соответствии с технологией, экспериментально исследованной в ФГУП «ГХК» в 2021 г. 

  9. На основании сравнения параметров ТУК-108/р и разработанного в ПД перегрузочного контейнера ПК представляется возможным создать универсальный транспортно-упаковочный комплект ТУК-ПК для защиты чехла НЧ с РАО-1 на всех этапах доставки с территории ФГУП «ПО «Маяк» непосредственно до отсека захоронения в ПГЗРО без перегрузок. В результате отказа от использования ТУК-140/1 значительно снизится количество перегрузочных операций, риск потенциально возможных аварийных ситуаций, достигается экономия затрат при создании здания перегрузки на ПГЗРО.

  10. На основании развития и внедрения перспективных решений по технологии переработки ОЯТ, основанных на ранее выполненных экспериментальных работах на ФГУП «ПО «Маяк», может быть достигнуто значительное повышение эффективности использования подземного пространства ПГЗРО на перспективу в результате отдельного извлечения при переработке ОЯТ тепловыделяющих фракций – «цезий+стронций» и «америций+кюрий» с последующим их отдельным захоронением. 

  11. С учетом значительного снижения удельного тепловыделения долгоживущей фракции РАО на основании использования перспективных технологий переработки ОЯТ и создания 4-х рабочих горизонтов для захоронения РАО, в пределах разведанного объема горных пород может быть обеспечено окончательное захоронение больших объемов долгоживущих РАО-1 и РАО-2 – ранее накопленных и вновь образующихся при переработке ОЯТ на ФГУП «ПО «Маяк» и ФГУП «ГХК», а также накопленных и вновь образующихся РАО-2 от других производств. 

  12. При переходе к горизонтальному захоронению упаковок с РАО-1 сохраняются основные проектные решения по созданию подземных сооружений ПГЗРО и зданий и сооружений на поверхности, принятые в утвержденной ПД.

Список сокращений

РАО-1, РАО-2 – радиоактивные отходы 1 и 2 классов

ПГЗРО – пункт глубинного захоронения радиоактивных отходов

Абс – абсолютная глубина по сравнению с Балтийским ординаром

ППЗРО – пункт приповерхностного захоронения радиоактивных отходов 3 и 4 классов

ПИЛ – подземная исследовательская лаборатория

ДИЦ – демонстрационно-исследовательский центр

ОБИН – «Обоснование инвестиций» на строительство первоочередных объектов
окончательной изоляции радиоактивных отходов (Красноярский край, Нижнеканский массив)

ПД – утвержденная в 2016 г. проектная документация на создание ПГЗРО и ПИЛ

ГКЗ «Роснедра» - Государственный комитет по запасам полезных ископаемых

ФГУП «НО РАО» - Национальный оператор по обращению с радиоактивными отходами

ИБРАЭ РАН – Институт проблем безопасного развития ядерной энергетики Российской Академии наук, научный руководитель создания ПГЗРО

ФГУП «ПО «Маяк» - ФГУП «Производственное объединение «Маяк»

ФГУП «ГХК» - ФГУП «Горно-химический комбинат»

ТТС – транспортно-технологическая схема

КИ – изолирующий контейнер

ПК – перегрузочный контейнер для доставки невозвратного чехла с РАО-1 от здания перегрузки до скважины захоронения

НЧ – невозвратный чехол для транспортирования и захоронения бидонов с РАО-1

МФЗП – многофункциональная загрузочная платформа для загрузки упаковок с РАО-1 в скважину захоронения

ТУК-140/1, ТУК-108/р, ТУК-ПК – транспортно-упаковочные комплекты для вывоза НЧ с РАО-1 с территории ФГУП «ПО «Маяк» и транспортирования до ПГЗРО

ВЧШГ – высокопрочный чугун с шаровидным графитом

ЯДМ – ядерные делящиеся материалы

ВКС – совещание в режиме видеоконференции.

Литература

1. «Декларация о намерениях» строительства первоочередных объектов окончательной изоляции радиоактивных отходов (Красноярский край, Нижнеканский массив), 2008 г. 

2. Е.Г.Кудрявцев, И.В.Гусаков-Станюкович, Е.Н.Камнев, Н.Ф.Лобанов, В.П.Бейгул. «Федеральный объект подземного захоронения отвержденных радиоактивных отходов в России: практические шаги к созданию». Ж. «Безопасность окружающей среды», 2008, №4, с. 106-112.

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

4. «Проектная документация по строительству объектов окончательной изоляции радиоактивных отходов (Красноярский край, Нижне-Канский массив)». М., ОАО «ВНИПИпромтехнологии», 2015.

5. «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. М., ИБРАЭ РАН, 2017.

6. «Сводное заключение о необходимости или отсутствии необходимости корректировки проектной документации «Подготовка проектной документации по строительству объектов окончательной изоляции радиоактивных отходов» (Красноярский край, Нижне-Канский массив)». М., ФГУП «НО РАО», 2019.

7. «Стратегия создания пункта глубинного захоронения РАО». Утв. 28.03.2018 Генеральным директором  Госкорпорации «Росатом» А.Е.Лихачевым. // Радиоактивные отходы. 2018. № 2 (3). С. 114-120.

8. «Расчетно-экспериментальное обоснование использования пеналов из карбида кремния для размещения остеклованных высокоактивных отходов в ПГЗРО». ООО «Корпорация по ядерным контейнерам». Договор № 1/14912-Д, 2018.

9. Крупская В. В., Закусин С. В., Лехов В. А., Доржиева О. В., Белоусов П. Е., Тюпина Е. А. «Изоляционные свойства бентонитовых барьерных систем для захоронения радиоактивных отходов в Нижнеканском массиве» // Радиоактивные отходы. 2020. № 1 (10). С. 35-55 . DOI: 10.25283/2587-9707-2020-1-35-55 .

10. Богатов С.А., Болдырев К.А., Крючков Д.В. «Эволюция инженерных защитных барьеров в проекте пункта глубинного захоронения ОВАО в Нижнеканском массиве». Препринт ИБРАЭ № IBRAE-2018-15. М., ИБРАЭ РАН, 2018, 45 с. 

11. Мартынов К.В., Захарова Е.В., Дорофеев А.Н., Зубков А.А., Прищеп А.А. «Функциональные свойства глинистых материалов для защитных барьеров радиационно опасных объектов» // Радиоактивные отходы. 2020. № 4 (13). С. 42-57.

12. Протокол от 05.12.2018 совещания по вопросам организации безопасного обращения и вывоза остеклованных ВАО из здания хранилища ФГУП «ПО «Маяк» на объект окончательной изоляции радиоактивных отходов (Красноярский край, Нижнеканский массив) ФГУП «НО РАО». ФГУП «ПО «Маяк», 2018.

13. РБ-003-2021 «Руководство по безопасности при использовании атомной энергии. Оценка долговременной безопасности пунктов глубинного захоронения радиоактивных отходов». М., 2021.

14. Д.Н.Колупаев «Перспективные решения для завершающих стадий ядерного топливного цикла». Доклад на НТС №1,5 Госкорпорации «Росатом», 2018.