Радиационная защита

Впервые в открытой печати в 1994 г. разрешено опубликовать книгу  А.И. Рыбальченко, М.К. Пименова, П.П. Костина  и др. "Глубинное захоронение  жидких радиоактивных отходов", освещающую более чем 30-летний опыт исследований, создание и осуществление глубинного захоронения жидких РАО в геологические формации. В глубокозалегающие пласты-коллекторы удалено около 46 млн м³ отходов, содержащих 2,2 млрд Ки, т. е. более половины радиоактивных нуклидов – продуктов деления урана с периодом полураспада до 30 лет (изотопы стронция, рутения, цезия, церия и др.), образовавшихся как отходы атомной промышленности России.

Захоронение жидких РАО  в таких масштабах единственное в мире. Оно дало возможность значительно снизить степень риска возникновения заболеваний и генетических дефектов, а также уменьшить вероятность тяжелых аварий при обращении с отходами.

В условиях подземных атомных  станций эта технология захоронения  жидких РАО также может найти применение в определенных геологических и горно-технических условиях. [2]

Схема переработки ЖРО  должна обеспечить их очистку от химических примесей с минимизацией объемов  вторичных отходов. Например, концепция  НИКИЭТа, являющегося головным институтом по проблеме обращения с реакторными отсеками атомных подводных лодок (АЛЛ), предусматривает электрохимическую коагуляцию очищенных ЖРО, механическую фильтрацию, ионообменную фильтрацию и двухступенчатый диализ. Первые три стадии полностью удаляют из ЖРО радионуклиды, а от химических примесей жидкости очищаются мембранными методами, широко применяемыми в промышленности. Однако ни одна из применяемых ныне технологий не очищает ЖРО от трития. Поэтому предлагается сократить объем образования отходов контурных вод, после очистки использовать их в первом контуре (возврат) и, наконец, контурную воду применять для приготовления бетонных смесей твердеющей закладки для захоронения РАО в подземных могильниках.

Переработка ЖРО АЛЛ  ведется только на ремонтно-технологическом предприятии "Атомфлот", где установлены узел двойного диализа и выпарная станция конструкции ВНИПИЭТа производительностью 18 тыс. м³ ЖРО в год.

Предпочтение отдается захоронению РАО в твердом  виде, так как это наиболее устойчивое к внешним воздействиям в течение сотен и тысяч лет физическое состояние, соизмеримое с длительной устойчивостью вмещающих горных массивов и геологических структур.

Кроме битумирования, из мировой практики известны способы отверждения РАО  средней активности в бетонных блоках  и искусственной керамике. Бетонные блоки наполняются сухими РАО (сухой  остаток, полученный выпариванием) до 40 %. Для снижения возможного выщелачивания радионуклидов из бетона в него добавляют жидкое стекло, вермикулит, цеолит. Отвержденные РАО упаковывают в стандартные контейнеры, бочки, барабаны, шары, короба и размещают в специальных горных выработках для захоронения.

Таким образом, переработка РАО на ПАС преследует три цели: значительное уменьшение объема отходов (выпариванием, прессованием, сжиганием, отверждением); перевод РАО в твердые устойчивые формы; оптимизация физико-химических свойств РАО для вечного захоронения.

Итак, исходя из принципа многобарьерности защиты в соответствии с требованиями МАГАТЭ для обеспечения надежного радиационно безопасного захоронения РАО, особенно высокоактивных, создаются несколько защитных барьеров.

Как описано ранее, РАО остекловываются  в матрицах из боросиликатного или алюмосиликатного стекла; бетонируются или смешиваются с битумом и сорбционными добавками.

Отвержденные блоки помещаются в антикоррозионные контейнеры из нержавеющей  стали, бетона, железобетона, циркониевого сплава, меди, чугуна и др.

Контейнеры располагаются в горных выработках и изолируются от крепи или вмещающих горных пород буферами (забойкой) из слабопроницаемого сорбционного материала (например, бентонитовые глины или цеолиты).

Крепи камер хранилищ и могильников  РАО выполняются герметичными, водонепроницаемыми, из антикоррозийных бетонов и иногда облицовываются коррозионно-стойкими материалами, например, нержавеющей сталью.

Эти четыре барьера смогут защитить радионуклиды от контакта с подземными водами и начала процесса выщелачивания  в лучшем случае в течение 500–1000 лет. Этот срок можно считать достаточным для подземного захоронения отвержденных РАО средней и низкой активности, но он недостаточен для захоронения ВАО и ОЯТ, так как они содержат радионуклиды цезий-стронциевой (Sr-90 и Cs-137) и трансурановой (U-234, Pu-239, Np-237 и др.) групп. Периоды полураспада радиоизотопов этих групп различны. Так, у Sr-90 и Cs-137 он равен 28,1 и 30,2 лет соответственно, а радионуклиды трансурановой группы обладают периодом полураспада в десятки и сотни тысяч лет. Радиоизотопы стронция и цезия являются основными тепловыделяющими элементами в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), высокотоксичны, хорошо растворяются в воде.

Многобарьерная инженерная защита могильников РАО, обеспечивающая надежную изоляцию на срок 500–1000 лет, будет гарантировать полный распад радиоизотопов цезий-стронциевой группы. Однако температура горных пород, вмещающих могильник, будет существенно повышенной, что предусматривается при проектировании хранилищ-могильников ВАО. Предельно допустимая температура горных пород, вмещающих Х-М ВАО (ХОЯТ), в Канаде и Европе принимается – 100° С, в США– 250°С.

Для надежного захоронения радиоизотопов  трансурановой группы срок действия техногенных (инженерных) барьеров недостаточен. В связи с тем, что технология разделения радиоизотопов цезий-стронциевой и трансурановой групп на практике не применяется из-за проблематичности, высокой сложности и дороговизны, обе группы радиоизотопов ВАО и ОЯТ хранят и захоранивают совместно. Поэтому приходится в качестве основного длительно действующего барьера использовать геологическую среду, горный массив, вмещающий могильник. Основное требование при захоронении ВАО – надежная, устойчивая изоляция отходов от среды обитания биосферы (экосферы) на период их потенциальной опасности для человека и окружающей среды. Нормативы США предусматривают необходимость сохранения надежной изоляции ВАО в могильниках на срок порядка 10 000 лет. Такой же срок желательно предусматривать и в нашей стране.

Благодаря сумме естественных и техногенных барьеров гарантируется надежность захоронения ВАО. Как видим, надежность вечного захоронения возлагается на массив горных пород.

В связи  с этим геологическая формация, используемая в качестве среды экологически безопасного размещения РАО, должна удовлетворять определенным геолого-тектоническим требованиям. Геологический блок должен располагаться в тектонически стабильной зоне земной коры.

Для размещения низкоактивных и  части среднеактивных РАО, не имеющих  альфа-излучающих элементов, блок считается стабильным, если в нем не ожидается подвижек в течение 300–500 лет, для облученного ядерного топлива и В АО – в течение более 104 лет. Так как выбор места для захоронения ВАО является прежде всего проблемой геологической, комплекс исследований должен включать: геоморфологическое изучение территории (развитие рельефа на длительный период, вероятность глобального изменения климата), сейсмический режим, структурно-геологические, геодинамические, структурно-петро-физические и петрографические исследования.

Тектонически стабильными зонами земной коры, так называемыми "мертвыми", геологи считают платформенные  зоны континентов, а внутри континентов  – щиты.

Совершенно неприемлемыми считаются  орогенические пояса с интенсивными процессами, высокой сейсмичностью, интенсивным вулканизмом, термальные артезианские бассейны, карсты.

При выборе структурного блока учитываются  конкретные физико-механические, физико-химические, теплофизические свойства вмещающих  пород, напряженно-деформированное  состояние (НДС) массивов, их тектоническая нарушенность, структурные особенности, температурные поля, теплофизические массообменные характеристики, гидро- и газопроявления массивов и др.

При соблюдении многобарьерности системы  изоляции и защиты ПАС и могильника РАО независимо от типа и функций естественных и искусственных барьеров основными их качествами являются: способность передачи тепла и его рассеяния в горном массиве; заграждение от проникновения подземных вод и газов, химическая стойкость, способность задерживать радионуклиды; механическая устойчивость самих искусственных барьеров (крепей, закладки, засыпки, забивки и т. п.) и массива горных пород под действием горного давления и технологических нагрузок.

ПАС и могильник высоко- и среднеактивных РАО размещаются в массивах проницаемостью не выше 104 Д в блоке горного отвода без тектонических нарушений, полезных ископаемых и т. п. Выбранный геологический блок по своим размерам должен вмещать не только горные выработки ПАС и могильника, но и зону санитарного отчуждения (200–250 м), а также охранные целики между контурами зоны санитарного отчуждения и зонами повышенной проницаемости, особенно горизонта свободного водообмена.

Основные требования, предъявляемые  к участку строительства ПАС, хранилища и могильника в тектонически стабильном блоке земной коры:

сейсмичность района расположения участка не должна превышать 7 баллов по 12-балльной шкале;

границы зоны санитарного отчуждения устанавливаются по положению максимального  контура распространения ПДК  радиоактивного загрязнения в определенном промежутке времени, горный отвод структурного блока должен включать все подземные сооружения, а также предохранительные и барьерные целики;

в пределах горного отвода не должно быть тектонических нарушений, которые  могли бы служить каналами миграции;

ПАС, хранилище-могильник располагают  в зонах затрудненного водообмена (Кф –10^-3 ÷ 10^-6 м/сут) и застойного режима;

участки геологических формаций не должны иметь пластов, жил, зон с  более высокой проницаемостью, а  также связи с горизонтами  водообмена;

горный массив, вмещающий подземный  комплекс ПАС, должен быть надежно изолирован инженерными мероприятиями и  техническими средствами от горизонтов водообмена;

горный массив, вмещающий ПАС, хранилище-могильник, должен обеспечивать изоляцию отходов  при создаваемых технологических нагрузках и быть монолитным, слабодислоцированным (Мтр ÷ 4 - 5 трещин/м) и однородным (слабопроницаемые магматические, соленосные и глинистые породы). Мощность вмещающей толщи определяется расчетом и должна быть не менее 100 м для соленосных и глинистых отложений и 300 м для магматических пород;

геологические формации должны состоять из прочных, устойчивых горных пород, инертных по отношению  к физико-химическому воздействию  РАО, обладающих свойствами механических и геомеханических барьеров на пути возможной миграции (утечки) радионуклидов;

геологическая формация должна иметь средний уровень  естественных тектонических напряжений, близкий к гидростатическому.

Наиболее предпочтительными для  размещения комплекса ПАЭС и хранилища-могильника РАО считаются скальные массивы, сложенные породами с пределами прочности на сжатие [σ сж] > 100 МПа и растяжение [σ р] > 10 МПа;

при выборе поперечных сечений камерных выработок влияние крупноблоковой естественной трещиноватости должно быть сведено к минимуму, что исключит появление зон действия растягивающих напряжений; подземные сооружения должны быть оптимально ориентированы относительно господствующих систем крупноблоковых трещин с учетом естественных напряжений в массиве;

при выборе единого структурного блока следует учитывать естественное напряженное состояние массива скальных пород, обусловленное действием полей напряжений гравитационно-тектонического происхождения, верхний предел тектонической составляющей естественного поля напряжении во избежание динамических проявлений горного давления не должен превышать значения (3 ÷ 4) γН< 0,5 σ сж;

при любых тектонических нагрузках  на массив горных пород, вмещающих камерные выработки ПАЭС и хранилища-могильника РАО, должны выполняться требования, предъявляемые к конструкциям подземного могильника.

Для могильников ВАО наиболее удачным  является расположение вязкопрочных пород (габбро, базальтоиды, диабазы) в массиве  упругопластичных пород (терригенно-карбонатные  толщи, серицит-хлоритовые сланцы). По мнению академика Н.П. Лаверова, "породы повышенной основности более благоприятны для строительства могильников ВАО, чем граниты, гнейсы и другие породы кремнекислого состава".

В качестве природных геохимических  и механических барьеров на пути распространения  радионуклидов могут быть использованы участки горного массива, сложенные фракциями пород в виде линз и отдельных толщ, имеющих высокий восстановительный потенциал (нефте-, битумо- и углесодержащие породы, неперспективные для отработки), при котором трансурановые элементы переходят в нерастворимые соединения. Механическими природными барьерами могут быть представлены породы, обладающие низкой проницаемостью или адсорбционными свойствами: глины, соли, интрузивные горные породы (типа гранитов, туфов и т. д.). Выбор участка под строительство ПАЭС требует постановки комплексных геолого-геофизических исследований, обеспечивающих требуемый уровень экологической безопасности эксплуатации ПАЭС и хранилища (могильника).

Из мирового опыта обращения  с РАО известны различные способы их подземного захоронения: скважинные, шахтно-ствольные, шахтные, штольневые, траншейные, котлованные, курганные и комбинированные (например, шахтно-скважинные, шахтно-камерные, камерно-скважинные, котлованно-курганные и т. д.).

Сооружение  хранилищ РАО

Подземные хранилища могут сооружаться  двумя способами.

Традиционный способ, применяемый  в национальных программах США, Канады, Швеции, Швейцарии и России, когда  камеры хранилищ проходятся при помощи "щадящей" технологии: щитами или  тоннелепроходческими машинами для обеспечения минимальных нарушений естественного состояния вмещающих горных массивов, чтобы использовать их в качестве природных защитных барьеров на пути возможной миграции радионуклидов или попадания воды в хранилище извне. Примером хранилища, сооруженного таким способом, может служить действующее в Швеции хранилище "Форсмарк".