1 апреля 2013

СБД: безопасная эксплуатация и надежное захоронение

Atomic-Energy.ru
Рис. 1. Могильник СБД в постэксплуатационном периоде (после завершения загрузки РАО в полном объеме)

С учетом новых более жестких требований к безопасности объектов изоляции РАО разработан принципиально новый тип хранилища высокой геоэкологической надежности – вертикальная скважина большого диаметра (СБД). При консервации скважин состав буферного материала, которым заполняются внутренние пустоты, может быть подобран так, чтобы в сочетании с другими инженерными барьерами полностью исключить миграцию радионуклидов за пределы хранилища в течение времени, необходимого для снижения активности до безопасного уровня.

Одним из основных преимуществ таких хранилищ является развитие по вертикали, в основном, в подземном пространстве, что позволяет более эффективно использовать площадь поверхности полигонов для хранения и захоронения РАО. Коэффициент использования поверхности (отношение площади поверхности, занимаемой хранилищем, к объему размещаемых в нем РАО) в зависимости от диаметра скважины увеличивается в 2,5-4 раза.

На Сергиево-Посадском полигоне ГУП МосНПО «Радон» сооружены две скважины внутренним диаметром 1,5 м и глубиной 40 м с целью оценить в промышленных условиях надежность хранения РАО, герметичность сооружения, состояние отходов и контейнеров (бочек), работоспособность и надежность системы георадиомониторинга.

В октябре 2003 года хранилище СБД-2 было загружено цементированными РАО низкой и средней активности, размещенными в 36 стандартных металлических бочках емкостью 200 л, с суммарной активностью 3,74*107 Бк. В мае 2006 года в хранилище СБД-1 загружено 90 бочек с такими же РАО с суммарной активностью 3,43*1011 Бк.

Геоэкологическая безопасность

Высокая экологическая безопасность хранилищ скважинного типа базируется на принципе многобарьерности, исключающим (или предельно ограничивающим) миграцию радионуклидов в окружающую среду.

С учетом того, что СБД располагаются в глинистых моренных отложениях с низкими фильтрационными характеристиками, вмещающий массив горных пород является естественным защитным барьером – основным в многобарьерной системе защиты.

При бурении скважин одновременно создаются основные инженерные барьеры:

  • глинистая корка на стенках скважины, образующаяся  в процессе циркуляции бурового раствора (как правило, она обладает хорошими гидроизолирующими и сорбционными свойствами);
  • стальная обсадная колонна, которая является несущим элементом и  одновременно изолирует внутреннее пространство хранилища от окружающего горного массива;
  • затрубная цементация (заполнение зазора между обсадной колонной и стенкой скважины бентонито-цементным раствором).

Кроме того, инженерным барьером является цементная матрица, вмещающая РАО, и стенки контейнера. Совокупность перечисленных выше барьеров создает очень надежную глубоко эшелонированную защиту окружающей природной среды.

В устья скважин СБД-1 и СБД-2 после их загрузки ниже зоны промерзания (около 2,5 м) были установлены теплоизолирующие пробки, после чего уже через пять-семь суток в хранилищах установился особый микроклимат, характеризующийся отсутствием отрицательных температур независимо от температуры на поверхности. Минимальная температура в хранилище СБД-2 под пробкой (+2oС) за все время наблюдений была зафиксирована в феврале 2006 года при длительной отрицательной температуре воздуха на поверхности (–32oС). В этих условиях цементные матрицы, вмещающие РАО, не подвергаются разрушению под воздействием знакопеременных температурных нагрузок, сохраняя защитные свойства.

Не выявлено устойчивых существенных различий в показателях влажности воздуха внутри скважин-хранилищ и на поверхности.

В хранилищах отсутствует вода, что свидетельствует о герметичности обсадных колонн [1]. Экспресс-анализ скорости коррозии обсадной колонны СБД-2 на образцах, размещенных на разных глубинах в 2002 году и извлеченных для исследования в 2010 году, показал, что срок службы обсадной колонны без потери герметичности и несущей способности может составить около 90 лет.

Замеры по всей глубине хранилища в наблюдательных каналах, расположенных вплотную к наружной поверхности обсадной трубы СБД-2, показали, что дозы γ-излучения не превышают фоновых значений.

Таким образом, анализ конструктивных особенностей скважин-хранилищ, многобарьерной системы защиты и автоматизированной системы георадиомониторинга позволяет оценить эти сооружения как высоконадежные и безопасные для окружающей среды, отвечающие современным рекомендациям МАГАТЭ.

Консервация

Жизненный цикл скважин-могильников делится на несколько периодов:

  • эксплуатационный (от начала строительства до окончания загрузки РАО в полном объеме);
  • постэксплуатационный (упаковки РАО содержатся в режиме хранения для исследования процесса естественного изменения защитных свойств барьеров и подтверждения проектных критериев безопасности);
  • консервация.

Последний период включает вывод из эксплуатации системы георадиомониторига и поддерживающих ее систем, удаление временных элементов, использовавшихся на этапе загрузки и в постэксплуатационном периоде, введение буферного материала (раствора), заполняющего свободное пространство внутри СБД, возведение перекрытия над устьем скважины и, наконец,  создание верхнего защитного экрана.

Хранилища скважинного типа имеют стабильную замкнутую геометрическую форму и четко зафиксированный объем пустот, зависящий от общего объема контейнеров РАО, загруженных в них (в частности, объем пустот в СБД-2 составляет 60 м3, в СБД-1 – 49 м3). Таким образом, качество заполнения могильника буферным материалом на стадии консервации можно контролировать по объему закаченного раствора.

Процесс укладки буферного материала должен быть непрерывным, с подачей раствора по специальному трубопроводу диаметром 100-150 мм, подвешенному к стенке обсадной колонны. По мере заполнения хранилища подающий трубопровод должен приподниматься с таким расчетом, чтобы расстояние от его нижнего (выходного) торца до поверхности уложенного раствора составляло не менее 1 м.

Защитный экран должен включать следующие основные элементы [2]:

  • основной противоинфильтрационный (гидроизоляционный) слой для исключения проникновения в скважины атмосферных осадков и поверхностных вод (полимерная пленка толщиной 3-5 мм);
  • дренирующий слой, предотвращающий прямое поступление воды к основному гидроизоляционному слою и отводящий ее за пределы скважины;
  • гидроизоляционный слой, подстилающий основной противоинфильтрационный слой,  защищающий его от разрушения и препятствующий проникновению подземных животных, корней растений и непреднамеренному вторжению человека.

СБД-1 и СБД-2 сейчас находятся в стадии окончания постэксплуатационного периода. Для перехода к периоду консерации (переводу хранилищ в статус объектов захоронения) необходимо составить проект и получить соответствующую лицензию. По предварительному расчету, на проведение технических мероприятий по переводу двух хранилищ СБД с учетом инженерной подготовки потребуется 30 суток.

 

Рис. 2. Верхняя часть СБД на стадии окончания консервации

 

Свойства буферного материала

В процессе консервации очень важным является вопрос о составе буферного материала для заполнения пустот, поскольку при этом создается еще один инженерный барьер на возможном пути миграции радионуклидов за пределы объекта захоронения. Исходя из сложившейся практики ликвидации пустот в приповерхностных хранилищах неглубокого заложения, наиболее приемлемыми с точки зрения предъявляемых требований по удобоукладываемости, гидроизоляционным и сорбционным свойствам являются бентонито-цементные растворы (БЦР).

Поскольку в СБД отсутствует прямой доступ к месту укладки раствора, весьма существенными являются такие его качества, как удобоукладываемость (свойство легко прокачиваться по растворопроводам и укладываться плотным и тонким слоем, не расслаиваться при хранении, транспортировании и перекачке) и пластичность (способность растекаться под действием собственного веса или других внешних сил). Обе эти характеристики определяются соотношением количества воды, вяжущего вещества и бентонитовой глины.

Буферный материал, предназначенный для заполнения скважин, не является в этом случае  несущим элементом, поэтому его прочность может быть невысокой (1-1,5 МПа), что дает возможность существенно экономить цемент. При проектировании целесообразно рассмотреть и вариант такого соотношения составляющих, чтобы БЦР постоянно находился в гелеобразном состоянии. Можно также проанализировать возможность использования в качестве буферного материала гранулированного бентонита (без вяжущего вещества), опираясь на зарубежный опыт: в Швейцарии получены хорошие результаты в лабораторных и натурных экспериментах при изоляции высокоактивных отходов [3].

При необходимости водопроницаемость буферного материала и, следовательно, вероятность миграции радионуклидов с водой за пределы могильника может быть снижена примерно в два раза за счет использования напрягающих цементов с добавкой тонкомолотого кремнезема вместо портландцементов. Этот эффект прослеживается и при гидротермальных воздействиях, что особенно существенно, например, при разогреве вмещающей среды в случае размещения в скважине тепловыделяющих отработавших источников ионизирующих излучений. Следует отметить, что у растворов, изготовленных на основе напрягающих цементов и набирающих прочность в условиях ограничения деформаций свободного расширения (то есть в пределах обсадной колонны),  проницаемость как по воде, так и по газу, снижается на несколько порядков. При отсутствии напрягающих цементов можно использовать портландцементы марок 400 и 500 с применением напрягающих добавок – алюминатно-сульфатных, алюминатно-оксидных, оксидных.

Таким образом, конструктивные особенности хранилищ скважинного типа позволяют без значительных материальных затрат и времени переводить их в статус объектов окончательной изоляции.

Литература

  1. Прозоров Л.Б. Новые хранилища РАО: скважины большого диаметра / Л.Б. Прозоров, Ю.В. Литинский, А.В. Ткаченко // Барьер безопасности. – 2005. – №3-4. – С.47-50.
  2. ГОСТ Р 52037. Могильники приповерхностные для захоронения радиоактивных отходов. Общие требования. М.: Госстандарт России. – 2003. – 36 с.
  3. Rizzi M. Granular MX-80 bentonite as buffer material: a focus on swelling characteristics / M. Rizzi, L. Laloui, S. Salager, P. Marshall // 4th international meeting ‘‘Сlays in natural and Engineered Barriers for Radioactive Waste Confinement" , France, Nantes, March 29 – April 1st, 2010.

Авторы

Литинский Юрий Викторович, к.т.н.

Ткаченко Алексей Викторович, к.т.н.