Надежность глубинного захоронения РАО во многом зависит от свойств вмещающих пород. Требованиям, предъявляемым к геологической среде размещения объектов окончательной изоляции отходов, посвящено интервью вице-президента РАН академика Николая ЛАВЕРОВА.
– Николай Павлович, какие горные породы наиболее благоприятны для глубинного захоронения, в частности, в России?
– Объект окончательной изоляции радиоактивных отходов (РАО) в геологической среде можно сравнить с искусственным месторождением радиоактивных элементов. Данные о сохранности в недрах Земли месторождений урана в течение многих миллионов лет свидетельствуют, что задача сооружения таких объектов, в принципе, решаема.
Пригодными для захоронения считаются породы, которые должны обладать низкой водонасыщенностью и водопроницаемостью, повышенной теплопроводностью и эффективными сорбционными свойствами. Механические свойства этих пород должны обеспечивать возможность создания в них горных выработок, сохраняющих устойчивость в течение длительного времени, а размеры перспективных для подземного захоронения геологических блоков должны существенно превосходить размеры хранилищ, которые необходимо размещать в породах, не подверженных выветриванию.
Идеальных пород, обладающих всеми отмеченными свойствами, в природе не существует. Поэтому решения о выборе горных пород и мест для хранилищ отработанных радиоактивных материалов принимаются с учетом не только геологических, но и экономических, правовых, социально-политических факторов. В России отдается предпочтение районам концентрации ОЯТ и ВАО: территориям размещения радиохимических комбинатов и других предприятий атомной отрасли, а также местам базирования судов атомного флота. Размещение в них хранилищ позволяет исключить дорогостоящую и далеко не безопасную процедуру транспортировки ядерных материалов на дальние расстояния.
Наиболее приемлемыми для сооружения геологических хранилищ ОЯТ и ВАО в районах их концентрации являются кристаллические (скальные) породы. К ним относятся различные типы магматических и метаморфических пород. Из-за высокой прочности этих пород проходка в них горных выработок значительно сложнее, чем в солях или глинах. В результате буровзрывных работ по примеру выработок образуются оторочки нарушенных пород повышенной проницаемости мощностью в несколько десятков сантиметров. Несмотря на это, выработки в кристаллических породах сохраняют свою форму практически на неограниченное время. Кристаллические породы также устойчивы к воздействию высоких температур, связанных с тепловыделением ВАО. Подземные воды на глубине вероятного расположения могильника ВАО (400-1000 м) обычно имеют низкую концентрацию солей и слабощелочные восстановительные свойства. Подземные воды с указанными параметрами оказывают малозначимое коррозионное воздействие на металлические канистры, а растворимость в них большинства радионуклидов относительно низкая.
– Насколько надежно будет такое хранилище с точки зрения радиационной безопасности?
– Утечка радионуклидов из хранилищ в биосферу может произойти: под воздействием эрозионных и тектонических процессов, в случаях вскрытия хранилищ горными выработками и выноса радиоактивных элементов на поверхность магмами или подземными водами. Для предотвращения (или минимизации возможности) реализации указанных сценариев предлагается размещать хранилища в сейсмически стабильных блоках, при отсутствии в них вулканизма и полезных ископаемых в недрах.
Единственным реальным механизмом загрязнения биосферы в подобных блоках остается возможный вынос радионуклидов в окружающую среду подземными водами. Значительные объемы таких вод могут поступать в биосферу только по относительно крупным водопроводящим каналам. При их отсутствии (а это одно из главных условий обеспечения безопасности мест захоронения) перенос радионуклидов на сколь-нибудь значительное расстояние от будущих хранилищ ВАО и ОЯТ маловероятен.
В кристаллических массивах циркуляция подземных вод осуществляется лишь по отдельным трещинам и зонам повышенной трещиноватости. Реальными переносчиками подземных вод являются трещины, ширина которых превышает 0,01 мм. Вместе с тем, встречаются блоки с очень низкой водопроницаемостью. Миграция загрязнителей внутри них возможна только путем диффузии радионуклидов в окружающие породы. Скорость этого процесса настолько мала, что даже в течение миллионов лет радионуклиды могут распространиться от места захоронения на расстояние первых метров. Поэтому главная цель при выборе конкретной площадки для размещения геологического хранилища – выделение целостных блоков с минимальным количеством гидравлически не связанных трещин и максимально низкой водопроницаемостью, что позволяет обеспечить условия надежной изоляции отходов.
– Но если площадка для захоронения не идеальна, как можно противодействовать контакту ВАО с подземными водами?
– С помощью физической и (или) геохимической изоляции отходов. Физическая изоляция обеспечивается инженерными барьерами, главными из которых являются матрицы с включенными в них радионуклидами, контейнеры из коррозионно-стойкого металла и буфер из сорбционно-емкого материала – бентонита.
В течение первых десятилетий хранения отходов их радиоактивность сохраняется на высоком уровне за счет 137Cs и 90Sr, которые обладают периодами полураспада около 30 лет и высокой растворимостью в водах. Поэтому с помощью герметичных контейнеров необходимо полностью исключить возможность взаимодействия РАО с водами в течение не менее 500 лет, достаточных для понижения концентрации указанных радионуклидов до безопасного уровня.
Герметичность контейнеров зависит от их коррозионной стойкости. Если ранее считалось, что коррозионная устойчивость в течение 300-1000 лет достаточна, то в настоящее время этот срок увеличен до 10000 лет и более. Значительное повышение стойкости контейнеров обеспечивается за счет увеличения толщины стенок, а также использования двухслойных емкостей с внешней оболочкой из меди или коррозионно-устойчивых сплавов. В России отвержденные ВАО хранятся в стальных контейнерах с толщиной стенок 3 см, которые затем помещаются в пеналы из нержавеющей стали с относительно тонкими стенками. В случае захоронения ВАО в упаковках, которые используются при их временном хранении, едва ли можно рассчитывать на длительный срок изоляции отходов от воздействия подземных вод.
Геохимическая изоляция предусматривает наличие условий, при которых, несмотря на доступ к ВАО подземных вод, радионуклиды удерживаются в ограниченном объеме геологической среды.
– Что это за условия?
– Одним из главных факторов, определяющих степень задержки радионуклидов горными породами, является их сорбционная емкость. Сорбируемые радионуклиды удерживаются определенными минералами горных пород. Эффективные сорбционные свойства присущи оксидам и гидроксидам железа, титана и марганца, минералам, содержащим эти элементы, а также глинам и цеолитам.
Большинство радионуклидов сорбируются на коллоидных частицах (размером от 1 нм до 1 мкм). Такие частицы могут распространяться в подземных водах на большие расстояния, поскольку скорость их осаждения очень низка. К настоящему времени получены данные, свидетельствующие о возможности миграции радионуклидов в коллоидной форме с относительно высокой скоростью. Для того, чтобы максимально минимизировать возможности проявления данной формы переноса загрязнителей при сооружении хранилищ следует выбирать породы, характеризующиеся низкой водопроницаемостью, затрудненным водообменном, «залеченностью» трещин новообразованными сорбционноемкими минералами.
В захораниваемых отходах также содержатся несорбируемые нуклиды (85Kr, 3H, 14C, 36Cl, 129I), которые характеризуются высокой подвижностью. В подземных водах они движутся со скоростью перемещения потока. Время поступления радиоизотопов в биосферу зависит от интенсивности водообмена и удаленности очага разгрузки подземных вод. Вместе с тем, по мере движения в водном потоке концентрация радионуклидов в воде последовательно понижается – за счет их рассеивания путем диффузии в породы горного массива или разбавления загрязненных вод чистыми водами.
– За тысячелетия хранения ВАО неизбежно повлияют, как на инженерные барьеры, так и на геологическую среду. Не ухудшаться ли их защитные свойства?
– Радиационное воздействие отходов не оказывает заметного влияния на изоляционные свойства матриц-консервантов, бентонитового буфера и горных пород, поскольку в течение как минимум 1000 лет радиоактивное излучение будет экранироваться толстостенными канистрами, вмещающими захораниваемые радиоактивные материалы. В случае разгерметизации канистр радиационное воздействие на минералы бентонитового буфера будет способствовать повышению их сорбционных свойств.
Захороненные ВАО оказывают значительное тепловое воздействие на буфер и геологическую среду. Однако эксперименты и расчеты показывают, что в реальных условиях подземного хранилища заметного ухудшения изоляционных свойств бентонита не происходит.
Тепловыделение ВАО интенсифицирует взаимодействие горных пород с подземными водами путем проявления в породах процессов, так называемого, низкотемпературного околотрещинного метаморфизма, сопровождаемых реакциями гидратации и карбонатизации. При этом объем новообразованных минералов превышает объем первичной минеральной фазы, в результате чего заполняется трещинно-поровое пространство породы и уменьшается ее проницаемость. В зонах активного протекания реакций гидратации и карбонатизации пород основного и среднего состава все трещинно-поровое пространство обычно оказывается «залеченным» вторичными минералами.
Новообразованные минералы оказывают принципиальное влияние на изоляционные свойства геологической среды, так как они главным образом формируются в зонах наиболее вероятного движения загрязненных радионуклидами подземных вод.
Температурные условия хранилища благоприятны для образования вторичных минералов с высокими сорбционными свойствами. К ним относятся различные слоистые силикаты – монтмориллонит, хлорит, серпентин, вермикулит и т.д. В этих же условиях формируются цеолиты, являющиеся природными сорбентами многих радионуклидов.
В трещинах, при заполнении их новообразованными минералами, обычно сохраняются многочисленные пустоты, которые обладают очень большой удельной поверхностью, способной не только активно сорбировать растворенные в воде радиоизотопы, но и фиксировать коллоиды при сужении порового пространства. Таким образом, процессы минералообразования в тепловом поле хранилища способствуют повышению изоляционных свойств пород.
