Подземные хранилища радиоактивных отходов: дизайн и строительство

Отходы низкого уровня состоят из облученного мусора, использованной защитной одежды, поступающих от промышленности и госпиталей, применяющих радиоактивные приборы и препараты. Такие отходы имеют очень низкий уровень короткоживущей радиоактивности, который снижается до безопасного через несколько сот лет, и могут быть захоронены под землей на глубине десятков метров. Этот способ применяется во многих странах, например: Швеции, Финляндии, Чехии, Франции, Японии, Нидерландах, США и др.

Отходы среднего уровня радиоактивности состоят преимущественно из реакторной воды, фильтрующей смолы, удаляющей радиоактивные частицы из различных химических осадков, металлических оболочек тепловыделяющих элементов. Этот уровень выше предыдущего, его источник смешивают с бетоном или с битумом, либо остекловывают для затвердения и последующего захоронения в неглубоких подземных хранилищах.

 

 

Отходы высокого уровня состоят преимущественно из расщепляющихся продуктов и трансурановых (расположенных за ураном в таблице Д. И. Менделеева) элементов отработанного ядерного топлива, которые являются как бы «золой» от «сгорания» урана. Высокий уровень радиоактивности имеют остатки переработанного атомного оружия. Эти отходы требуют захоронения в так называемых депозитариях глубокого расположения — специально построенных подземных полостях на глубине от 250 до 1 000 м. Такой способ применяется в США и обсуждается или реализуется в Швеции, Финляндии, Франции, Канаде, Великобритании.

Осознавая опасность радиоактивных отходов, в индустриально развитых странах мира, имеющих атомные электростанции, ведут интенсивные работы по созданию постоянных подземных хранилищ для отходов разного уровня радиоактивности. При этом рассматривается несколько возможностей:

• оставить отходы там же, где они производятся;
• захоронить отходы под дном океана;
• разместить отходы под землей на очень большой глубине в специально пробуренных скважинах, на отдаленных необитаемых островах или в полярных льдах;
• удалить отходы в космическое пространство.

 

Не вдаваясь здесь в подробности анализа достоинств и недостатков этих возможностей, далее в качестве примеров описываются решения, принятые или обсуждаемые в Швеции и США, по хранению отходов низкого, среднего и высокого уровня радиоактивности.

ХРАНИЛИЩА ШВЕЦИИ

 

Хранилище SFR (Swedish Final Repository). Здесь складируются отходы низкого и среднего уровня радиоактивности, поступающие из госпиталей, исследовательских лабораторий, предприятий промышленности. Оно построено на глубине 60 м под дном Балтийского моря возле Форсмарка (Forsmark) и используется с 1988 г. (рис. 1).

 

 

Геология района, где расположено хранилище, была хорошо изучена во время подземных работ, связанных со строительством трех атомных электростанций. Исследования морского дна продолжались в восьмидесятых годах прошлого века и включали проходку туннелей, показанных на рис. 1, бурение разведочных скважин, изучение гидрологической обстановки и сейсмические наблюдения. Дополнительные исследования проводились во время строительства хранилища, изучались свойства окружающих его пород и проводились измерения напряжений горного массива. Например, при сооружении самого сложного объекта строительства — силосного бункера (рис. 2) на каждом третьем шаге его углубки бурились пилотные скважины. Результаты бурения использовались для выбора вида и параметров крепи и цементации закрепного пространства.

Хранилище расположено в горных породах вулканического происхождения — гранитах, пегматитах, диоритах и габбро, претерпевших за миллионы лет влияние высоких давлений и температур. Туннели доступа к нему проходят через региональную нарушенную зону Singo шириной 200 м. Имеются также другие деформационные зоны (рис. 3). Породные массы разделены на блоки с числом соединений 3-5 на метр.

 

Хранилище SFR состоит из двух частей — наземной и подземной. В наземной расположено производство по изготовлению бентонитовых (из особой глины, разбухающей в 14–16 раз при увлажнении) блоков для заполнения и «запечатывания»полостей хранения отходов, и комплекс приема прибывающих отходов. Подземная часть рассчитана на общий объем хранения отходов 63 000 м³ , возможная производительность их приема до 600 м³ /год. Предполагается, что отходы будут изолированы от людей и окружающей среды на срок не менее 500 лет, пока радиоактивность не исчезнет.

К подземному комплексу подходят два параллельных наклонных туннеля доступа с длиной 1 и 1,2 км. Сечения туннелей 48 м² и 64 м² (рис. 4). По одному из них транспортируются грузы, по второму — люди. При подходе туннелей к нарушенной зоне были пробурены две опережающие горизонтальные скважины длиной 100 и 120 м, а при проходке туннелей бурились три пилотные скважины длиной по 20 м в их кровлю и стены. Приток воды из скважин регулярно измерялся. Работы в обоих туннелях проводились одновременно, оба проходились сразу на полное сечение, без деления на уступы.

 

 

При необходимости из забоев туннелей выполнялись тампонажные работы для укрепления окружающих пород через восемь скважин длиной по 5 м. Такое решение оказалось весьма эффективным даже в слоях глинисто-минерализованных и выветрелых пород.

Туннели проходились с помощью буровзрывных работ с применением так называемого контурного взрывания с минимальными повреждениями окружающих пород за контуром сечения туннеля. Скважины для этих работ длиной 4,9 м диаметром 48 мм обеспечивали подвигание туннелей 4,7 м за цикл. В зависимости от геологических условий применялись анкерная крепь (металлические стержни, закрепляемые в скважине) (рис. 4) или металлическая сетка с ее последующим покрытием слоем набрызг бетона (рис. 5) — жидкого бетона, наносимого без опалубки. В особо сложных условиях эти виды крепи совмещались. Измерения деформации туннелей показали целесообразность принятых решений: в самой опасной нарушенной зоне удалось избежать обрушения пород и обеспечить скорость подвигания туннелей 50 м/мес.

 

 

В состав комплекса SFR входят четыре горизонтальных хранилища длиной по 160 м, сечения которых зависят от типа и размера контейнеров хранения отходов, и вертикальный силосный бункер с отделениями вдоль его глубины (вертикальными шахтами) для отходов разного уровня радиоактивности. Диаметр этого бункера около 30 м, общая высота со сводом и днищем около 70 м. Он закреплен бетоном толщиной 0,8 м, а его закрепное пространство (шириной до 1,2 м) заполнено бентонитовой разбухающей глиной, предотвращающей приток подземных вод. В своде бункера устанавливается водонепроницаемая перемычка, а его днище сформировано из железобетонного пола, подстилаемого смесью бентонита и песка (рис. 6).

Последовательность экскавации купола бункера показана на рис. 7.

 

После экскавации купола силоса и строительства туннеля к его днищу в центре сечения бункера сверху вниз бурились и взрывались 42 длинные скважины диаметром 76 мм и длиной 50 м. Это позволило сформировать вертикальный породный спуск круглого сечения диаметром 14 м. В оставшейся части сечения бункера экскавация пород проводилась буровзрывными работами с бурением скважин длиной по 6 м (рис. 8). Как уже говорилось, в силосном бункере отходы размещаются в его отделениях (шахтах) разных размеров, разделенных бетонными стенами. Наибольшие размеры имеет квадратное сечение со стороной 2,5 м. Отходы в этих отделениях складируются в зависимости от их происхождения, степени радиоактивности, вида и размеров упаковочных контейнеров и других критериев. Пространство между контейнерами заполняется цементным тампонажным раствором. Шахты хранения перекрываются бетонными крышками, которые при необходимости открываются.

 

 

Горизонтальная камера для отходов среднего уровня имеет ширину 19,5 м и высоту 16,5 м, камеры для отходов низкого уровня радиоактивности — соответственно 15 м и 13 м, камера для хранения бетонных емкостей — 15 м и 9,5 м. Поперечное сечение наибольшей из них — примерно 320 м² . Камеры проходились с опережением верхней части сечения пилотным забоем. Затем проходилась оставшаяся часть сечения. В наибольшей камере она делилась на два уступа по 90 м² каждый, в других отрабатывалась одним уступом. Камеры связаны друг с другом системой туннелей с сечениями от 50 до 80 м² .

Медные со стальными вставками контейнеры с отходами в этих камерах складируются автопогрузчиком, в бункере — дистанционно управляемыми кранами. Месторождения чистой меди и находки древних произведений искусства доказывают, что медь, используемая в контейнерах, останется захороненной в горных породах без коррозийных изменений, если сохранится малый приток воды. Контейнеры могут быть извлечены, если в будущем по какимлибо причинам это окажется необходимым.

 

В связи с намечаемым прекращением работы четырех-пяти из десяти действующих шведских атомных реакторов в ближайшие годы планируется расширение хранилища SFR для размещения их отходов: компонентов реакторов, металлолома, обломков бетона и других строительных материалов, зараженных радиоактивными веществами в ходе работы электростанций. Для размещения этих новых отходов хранилище SFR должно быть расширено до 117 000 м³ (рис. 9).

С этой целью предполагается соорудить шесть новых камер длиной 240–275 м. Подобно существующему хранилищу, эти горизонтальные камеры будут размещаться в кристаллических породах морского дна, но на большей глубине — 120–140 м, что соответствует глубине нижних частей существующего комплекса (рис. 10).

 

 

Хранилище KBS-3 (аббревиатура от шведского «Безопасность ядерного топлива»). В Швеции разработана и обсуждается концепция хранилища отходов с высоким уровнем радиоактивности, которое предполагается построить в Форсмарке — районе, где расположено хранилище SFR (рис. 11).

В ходе геолого-разведочных работ проводился пошаговый процесс дизайна хранилища. По мере получения результатов разведки его концепция уточнялась и развивалась. Она также была одобрена и принята в Финляндии.

 

Расположение хранилища определялось необходимостью приблизить его к действующей атомной электростанции, топографией побережья морского района и геологическими условиями, в частности нарушенными зонами и качеством горных пород.

Доступ к хранилищу будет обеспечиваться четырьмя вертикальными шахтами (стволами) и серией наклонных туннелей — рампой. Ее функция — создать маршрут для колесного транспорта между наземной и подземной частями комплекса, в частности для перевозки контейнеров с радиоактивными отходами. Рампа также служит вторым (спасательным) выходом на случай аварии под землей. Спираль рампы состоит из пяти петель, достигая отметки -470 м на нижнем горизонте. Минимальный радиус ее поворотов на 180⁰ — 25 м. Общая длина рампы — примерно 4,7 км, ее сечение — 31 м² .

 

 

Один из вертикальных стволов — скиповой предназначен для выдачи на поверхность подъемными сосудами — скипами породы, отбитой от массива и раздробленной при строительстве полостей хранилища. По этому же стволу производится доставка материалов для закладки полостей, загруженных отходами. В людском стволе будут установлены два клетевых подъема для спуска-подъема людей, оборудования, материалов. В стволе размещаются трубы для откачки подземной воды. Два других ствола будут выполнять вентиляционные функции.

Необходимость строительства и будущая безопасность такого строительства широко обсуждаются и оцениваются общественностью и экспертным сообществом. Существующий в Швеции суд по вопросам охраны окружающей среды в январе 2018 г. решил отказаться от необходимости в описанном хранилище. Следует, однако, заметить, что это мнение может измениться, как это произошло в США, где президент Обама отказался от строительства хранилища в Юкка-Маунтин (YuccaMountain) (см. далее), а президент Трамп возобновил его финансирование.

 

 

Продолжение следует

 

Статья была опубликована в ноябрьском номере журнала "Наука и техника" за  2018 год