Радиационная защита

Второй способ предусматривает  полную изоляцию горного массива, вмещающего хранилище РАО, и даже в некоторой  степени изменение первоначальных его свойств. Само хранилище выполняется в виде сферической или камерной выработки-капсулы, а вокруг него проходится защитная экранирующая щель, заполняемая водонепроницаемым материалом, которая ограждает внутренний объем вмещающего хранилище массива и создает в нем постоянную гидравлическую обстановку, препятствуя миграции радионуклидов из хранилища и проникновению в него воды извне. Примером хранилища, запроектированного по второму способу, может служить шведский проект WP-CAWA.

На рис. 26 показан общий вид  первого этапа строительства (1983–1988 гг.) подземного комплекса хранилища РАО "Форсмарк" в Швеции, расположенного в кристаллических породах (в основном в гранитах) под дном Балтийского моря. В хранилище размещен весь объем НАО и САО от 12 реакторов. Глубина шелыги от уровня моря – 65 м. Плотность трещиноватости в своде колеблется от 3 до 12 %. Скорость фильтрации подземных вод – 10^-7–10^-10 м/сут. Основные подземные сооружения возведены в наиболее водонепроницаемых массивах. Подходный "грязный" тоннель имеет длину 1 км и поперечное сечение 60 м². Габарит приближения 5,2 × 5 м (высота × ширина). В двух вертикальных цилиндрических выработках-хранилищах диаметром 30 м и высотой 70 м хранятся ЖРО средней удельной активности в канистрах. ЖРО замоноличены с ионообменными смолами в бетон. Загрузка РАО выполняется дистанционно управляемым манипулятором. Выработки камерного типа имеют ширину 14,8; 15 и 19,5 м, высоту – 9,5; 12,5 и 16,5 м. Длина у всех камер одинаковая – 160 м. Камеры закреплены анкерами и дисперсно-армированным набрызгбетоном. Длина анкеров – 3,85 м, диаметр–25мм. Анкеры установлены по всей поверхности стен и кровли камер по сетке 2 × 2 м.

Рисунок 26. - Общий вид подземного комплекса хранилища радиоактивных  отходов "Форсмарк"

В вертикальных цилиндрических выработках от днища на подушке из смеси кварцевого песка с бентонитом сооружен с помощью скользящей опалубки бетонный бункер высотой 50 м. Пространство между стенками бункера и камеры заполнено бентонитом. Объем бетона бункеров – 8000 м³. Канистры РАО в бункере размещаются в 35 ячейках размерами 2,5 × 2,5 м и 12 ячейках–1,25 × 2,5 м.

Основным защитным барьером от распространения  радионуклидов в камерных выработках служит массив скальных пород, вмещающий  хранилище. Расчетная нагрузка на окружающую среду составит около 3·10 Зв/год, что намного ниже фоновой.

Рисунок 27. - Общий вид подземной  емкости для хранения отработавшего  ядерного топлива по шведскому проекту WP-CAWE

1 - спиральный транспортный тоннель-съезд, 2 - подходная выработка к барьеру, 3 - целик скальных пород, оставленный внутри бентонито-кварцевого барьера; 4 - вертикальный ствол; 5 - подходная выработка к трем одинаковым емкостям; 6 - изоляция подходной выработки; 7 - изоляция ствола; 8 - выемка для хранения упаковок с топливом, 9 - бентонито-кварцевый барьер

Для хранения облученного топлива  в Швеции создан проект WP-CAWE сухого подземного хранилища, состоящего из трех емкостей [2]. На рис. 27 показана одна из трех секций хранилища. Каждая емкость  представляет собой шарообразную выработку  диаметром 40 м, в которой размещаются канистры с ВАО. Канистры устанавливаются в цилиндрические выемки бетонных шаров

диаметром 3,6 м, имеющих коническое захватное устройство. Шары с топливом располагаются в центральной  части шарообразной выработки-хранилища, свободная часть полости заполняется бетонными шарами без ВАО. По расчетам проектантов в полости между бетонными шарами с канистрами ВАО и пустыми шарами образуется конвективный перенос тепла, выделяемого ВАО, и равномерное его распределение в течение около 200 лет. Температура стенок хранилища может достигать 200° С. Поэтому во избежание отслаивания тонких пластин породы выемки ее стенки крепятся анкерами и вся полость заполняется шарами. При необходимости размещения в полости других видов ВАО предполагается применять бетонные шары диаметром 4,8 м. Доставка шаров в полость и выдача их нагора, если облученное топливо потребуется регенерировать на радиохимическом заводе, производится по вертикальному стволу. Ствол шахты изолируется в нижней части, в месте примыкания к хранилищу, бетонной пробкой, весь объем которой заполняется бентонитом.

В одной полости хранилища можно  разместить годовой объем отработавшего  топлива 12 реакторов мощностью 1000 МВт.

Хранилище-шар диаметром 40 м располагается  внутри колбообразного объема массива скальных горных пород диаметром 120 м и высотой 168 м. Этот объем отделен от остального, окружающего его массива выработкой щелью шириной 5 м, заполненной защитной смесью чистого кварцевого песка с сухой хорошо уплотняемой бентонитовой глиной. При проникновении воды в бентонит он расширяется, набухает, создает внутреннее давление в защитной выработке и обеспечивает надежный барьер из естественного материала, препятствуя проникновению воды к ВАО. Расположенный внутри колбы массив, отделенный от вмещающего глиняным барьером, является к тому же демпфером, повышающим устойчивость хранилища от вероятностных землетрясений и тектонических подвижек.

Большим преимуществом шведского  проекта является понижение требования к проницаемости вмещающего массива, что позволяет создавать ХОЯТ не только в изверженных породах магматического (граниты, гнейсограниты и т.п.) или метаморфического (гнейсы, лептиты) происхождения, но даже в осадочных, например, в песчанике, известняках хорошего качества, в меловых отложениях с незначительной водопроницаемостью и низкой пористостью. Вскрытие колбообразной оболочки-щели предусматривается спиралевидным подходным тоннелем. Размеры блока для сооружения одной емкости ХОЯТ 200 х 200 х 200 м. Стоимость сооружения ХОЯТ с тремя емкостями с учетом инженерно-геологических изысканий – 55 млн долл. США.

Скважинные могильники для локализации  ВАО в скальных породах, соляных  формациях и глинистых мощных пластах получили распространение  в Швейцарии, Италии, Великобритании, Нидерландах, Индии. Сторонником такого способа захоронения ВАО в России является действительный член АГН, профессор, доктор техн. наук, О. Л. Кедровский.

Принципиальная схема скважины-могильника глубиной 4000 м показана на рис. 28. Зависимости  максимальной температуры на стенке пенала с ВАО от диаметра скважины при различных плотностях теплового потока после охлаждения ВАО в течение 10, 15 и 25 лет даны на рис. 29. Усредненные характеристики горных пород при бурении скважины даны в табл. 31.

Скважины бурятся с поверхности, а также из подземных выработок. Скважины, пробуренные с земной поверхности или со дна морей, могут иметь глубину от 600-700 м до 2-4 км. Диаметр таких глубоких скважин доходит до 720 мм. В них захоранивают долгоживущие ВАО-радионуклиды трансурановой группы и йод-129. В скважины опускают контейнеры с остеклованными ВАО или другие виды РАО

Таблица 31 - Усредненные характеристики горных пород при бурении скважины

 Рисунок 28.- Принципиальная схема  скважины-могильника глубокого залегания: 

1 – бетон; 2 – асфальт (битум); 3 – обсадная колонна (технологическая); 4 – блок из прессованного бентонита  (γ – 2,1 г/см3); 5 – бентонитовая паста (γ – 1,6 г/см3); 6 – колонна-хвостовик (эксплуатационная); 7 – контейнер с высокоактивными отходами; 8 – цемент, 9 – зона герметизации L – 2000 м; 10 – интервал ликвидации обсадной колонны ("окно"); L – подлежит уточнению; 11 – зона размещения контейнеров (рабочая зона), L – 2000м

Рисунок 29 - Зависимость максимальной температуры на стенке "пенала" от его диаметра при пространственной плотности теплового потока 1,5, 1, 0,5 кВт/м3 после охлаждения отходов  в течение 10,15,25 лет 

В ряде стран рассматриваются проблемы захоронения ВАО в вертикальных шахтных стволах. Так, например, в США осуществляется программа размещения ВАО в стволах диаметром 3 м, пройденных буровым способом.

Проф. О. Л. Кедровский предлагают захоранивать различные по активности РАО, образующиеся при снятии с эксплуатации энергоблоков АЭС, в вертикальных водонепроницаемых шахтных стволах диаметром 4–6 м, глубиной до 150–200 м, пройденных бурением в осадочных породах и закрепленных трехслойной крепью (стальной лист – бетон МБ-01 – стальной лист). Использование "модификатора бетона МБ-01" в 500 кг/м3 портландцемента М-400 можно получить бетон сверхвысокой (80 МПа) прочности, низкой (W-20) проницаемости, высокой (свыше 800 циклов) морозостойкости, повышенной стойкости к агрессивным водам.

Стволы-могильники предлагается размещать  прямо на промплощадках АЭС, геологические  условия которых позволяют применить  способ захоронения в шахтных  стволах. Бурить стволы можно реактивно-турбинной  установкой "Уралмаш-4Э" или установкой немецкой фирмы "Вирт" (роторный способ бурения с обратной промывкой). Сталебетонная крепь возводится способом "на плаву", который описан в [  ]. Могильник РАО шахтного типа показан на рис. 30.

Доктор техн. наук И.Ю. Шищиц предлагает захоранивать контейнеры с пеналами высокоактивных РАО в могильниках шахтного типа с воздушным охлаждением при естественной тяге (депрессии). Глубина ствола – 800 м; диаметр – 8 м; объем вынутых пород – 60 тыс. м3; высота рабочей зоны – 600 м; количество пеналов в контейнере – 36 шт.; общее количество пеналов – 5760 шт.; срок эксплуатации могильника–25 лет (рис. 31). Обычно ВАО предварительно выдерживают в наземных сооружениях не менее 10 лет для снижения тепловыделения при распаде нуклидов Sr-90 и Cs-137.

Рисунок 30 - Могильник радиоактивных отходов в шахтном стволе:

1 – засыпка из породы; 2 –  защитный слой из литого бетона; 3 – крепь устья ствола; 4 –  слаборадиоактивные отходы; 5 – бетонная  подушка; 6 – однослойная стальная  крепь в зоне свободного водообмена; 7 – бетон закрепного пространства; 8 – трехслойная сталебетонная крепь; 9 – контейнеры с радиоактивными отходами; 10 – буровой став; 11 – коническое днище; 12 – бетонная пробка

Для охлаждения ВАО размещают во временных хранилищах, сооружение которых  сложно и дорого. Кроме того, они обладают повышенным риском возникновения различных опасных ситуаций (тайфун, смерч, террористический акт и др.). Предлагаемый способ хранения и последующего захоронения ВАО в шахтном стволе отличается от вышерассмотренного тем, что контейнеры с ВАО помещают в стволе без предварительной выдержки. Тепло отводится за счет естественного проветривания. Таким образом, ствол совмещает функцию временного хранилища на период снижения тепловыделения до необходимых уровней и, затем, функцию подземного могильника.

Рисунок 31 - Могильник шахтного типа для ВАО с предварительным  их охлаждением в стволе атмосферным  воздухом

1 – надшахтное здание, 2 – шлюзовое  устройство, 3 – здание подъемной  машины, 4 – контейнер с пеналами, 5 – расстрелы, 6 – теплоизоляция  δ = 300 мм, воздушный промежуток δ = 500 мм, чугунные тюбинги δ = 275 мм, силовой бетон δ = 425 мм, гидроизоляционный экран, передовой бетон δ = 300 мм, скальная порода, 7 – суглинок с дресвой и щебнем водонасыщенный, 8 – порфириты трещиноватые обводненные, 9 – порфирит монолитный с трещиновато-жильными горизонтами, 10–зона захоронения пеналов–рабочая зона

В стволе устанавливается теплоизолирующая обечайка, между ней и крепью ствола имеется кольцевой зазор. Контейнеры с ВАО размещают внутри обечайки. В стволе между крепью и обечайкой возникает естественная тяга. Наружный воздух поступает по кольцевому зазору в нижнюю часть ствола и через проходные окна у основания обечайки проходит в зону источников тепла, где и происходит его отбор. Нагретый воздух попадает в фильтр-теплообменник, где очищается и поступает в систему отопления. Отводимое тепло используется для обогрева помещений на поверхности [   ].

В связи с программой демилитаризации  России и снятия с эксплуатации около 100 атомных подводных лодок. Северного  и Тихоокеанского Военно-морских флотов возникла важнейшая и сложнейшая проблема изоляции от среды обитания высокоактивных зон ядерных реакторов, облученного топлива, реакторных отсеков и оборудования. По данным на август 1993 г. с 34 АЛЛ активные зоны реакторов были выгружены, на плаву остались 60 подлодок с невыгруженным ядерным топливом, что представляет экологическую опасность для окружающей среды не только прибрежных регионов России, но и приграничных стран. Проблема усугубляется тем, что находящиеся ныне в строю АЛЛ постепенно, по мере использования ресурса, будут выводиться из эксплуатации и объемы ВАО будут неумолимо возрастать.

В настоящее время корпуса снятых с эксплуатации подводных лодок  разделываются, облученное ядерное  топливо выгружается, жидкие РАО перерабатываются. Для хранения и захоронения крупногабаритных неразборных радиационно опасных элементов отечественными учеными и проектантами разработаны предложения по созданию специальных подземных сооружений.

В НИПИ промтехнологии выполнил проект могильника РАО в многолетнемерзлых породах острова Новая Земля. Контейнеры с ВАО предусматривается хранить в шахтных стволах диаметром 8 м глубиной 90 м (рис. 32), а крупногабаритное оборудование (КНРО) – в хранилище-траншее глубиной 20 м (рис. 33).