ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2007, том 49, № 3, с. 218-226
УДК 621.039.7:536.251
ОЦЕНКА ПЛОТНОСТИ ЗАГРУЗКИ ПОДЗЕМНЫХ СКВАЖИННЫХ ХРАНИЛИЩ ТВЕРДЫХ ВЫСОКОРАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
© 2007 г. В. И. Мальковский, А. А. Пэк
Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва, Ж-17, Старомонетный пер., 35 Поступила в редакцию 02.02.2007 г.
Рассматривается процесс конвективного переноса радионуклидов подземными водами из геологического хранилища отвержденных высокорадиоактивных отходов (BAO), представляющего собой группу скважин большого диаметра, в нижней части которых размещаются BAO. Методами математического моделирования получена оценка зависимости безопасного расстояния между скважинами от свойств пород и параметров загрузки скважин отходами. B качестве критерия безопасности используется условие, согласно которому концентрация радионуклида в подземных водах у поверхности Земли над хранилищем не должна превышать предельно допустимое значение. На основании проведенных оценок делается вывод о том, что при размещении твердых BAO в хранилищах сква-жинного типа можно добиться большей плотности размещения BAO на территории хранилища по сравнению с шахтными хранилищами. Рассматриваются достоинства и недостатки обоих типов хранилищ и оцениваются перспективы их использования для подземного размещения твердых BAO.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие атомной энергетики привело не только к увеличению потребности в различных видах сырья (в том числе, к необходимости расширения урановорудной базы атомной промышленности), но и к необходимости переработки и (или) захоронения растущего объема радиоактивных отходов (РАО), которые представляют серьезную угрозу для биосферы. Наиболее опасными радиоактивными отходами атомной промышленности являются не подлежащее переработке облученное ядерное топливо атомных реакторов (ОЯТ) и жидкие и отвержденные высокорадиоактивные отходы (ВАО) от переработки ОЯТ на радиохимических заводах. Годовой объем отходов мировой атомной промышленности за 1987 г. по оценкам МАГАТЭ составлет 14 950 м3 для ОЯТ и 2870 м3 для жидких и отвержденных концентратов радиохимических заводов (Лаверов и др., 1991). Анализ источников поступления РАО не позволяет ожидать, что количество РАО атомной энергетики в ближайшем будущем существенно снизится (The scientific ..., 1997).
При переходе атомной энергетики к замкнутому топливному циклу доля ВАО в общем объеме отходов повышенной активности будет увеличиваться (Солонин, 2005). Наиболее перспективным с точки зрения экологической безопасности и экономической целесообразности является раз-
Адрес для переписки: В.И. Мальковский. E-mail: malk@ig-em.ru.
мещение отвержденных ВАО в подземных хранилищах на глубине нескольких сотен метров (Krauskopf, 1988; Лаверов и др., 1991; Disposition..., 2001; End points., 2003). Основным механизмом распространения радиоактивного загрязнения в геологической среде является перенос радионуклидов подземными водами. ВАО, производимые на предприятиях радиохимической переработки ОЯТ, первоначально представляют собой высококонцентрированные водные растворы. Для уменьшения поступления радионуклидов из хранилища в подземные воды ВАО перед захоронением целесообразно переводить в отвержденные формы (Лаверов и др., 1997). При этом содержащиеся в отходах радионуклиды иммобилизуются веществом матрицы-консерванта, основное назначение которой - воспрепятствовать выносу этих радионуклидов при непосредственном контакте с подземными водами. Для создания дополнительной изоляции между ВАО и подземными водами отвержденные отходы предполагается размещать в герметических металлических контейнерах, каждый из которых в хранилище будет окружен буферным слоем из слабопроницаемого материала с высокими сорбционными свойствами по отношению к радионуклидам.
Для уменьшения скорости переноса радионуклидов, попавших через инженерные барьеры в подземные воды, большое значение имеют защитные свойства пород, в которых сооружено хранилище. Эти защитные свойства определяются малыми скоростями подземных вод и высоки-
ми сорбционными свойствами пород по отношению к радионуклидам. Для обеспечения малых скоростей подземных вод необходимо выбирать массивы слабопроницаемых пород, в которых отсутствуют крупномасштабные нарушения в виде разломов и протяженных трещин. Породы являются естественным, или геологическим барьером, изолирующим BAO от биосферы. Инженерные барьеры могут служить относительно надежной изоляцией BAO лишь в течение начального периода после размещения BAO в хранилище. B дальнейшем даже при относительно высокой стабильности матрицы-консерванта, химической устойчивости и механической прочности контейнера и высокой сорбционной емкости буферного слоя инженерные барьеры должны неизбежно деградировать, и безопасность захоронения в течение большей части срока хранения BAO в значительной степени зависит от надежности геологического барьера.
Рассматриваются различные варианты конструкций подземных хранилищ для размещения отвержденных отходов: хранилища шахтного типа, скважинного типа и специальным образом переоборудованные глубокие пещеры естественного происхождения (St. John, 1982; Cooley et al., 1990; Кедровский, 1999; Yucca Mountain..., 2001). B хранилищах шахтного типа на глубине создается система горизонтальных горных выработок, в которые загружаются контейнеры с BAO. Последние могут размещаться или непосредственно в этих выработках или в специальных колодцах, пройденных в стенках или подошве выработок. B хранилищах скважинного типа контейнеры с BAO предполагается размещать в нижней части группы глубоких скважин большого диаметра. Для уменьшения выноса радионуклидов подземными водами в биосферу целесообразно выбирать для создания хранилища массив пород, в котором отсутствуют разломы и области развитой трещиноватости. Шахтное хранилище представляет собой единый комплекс подземных сооружений, для создания которого требуется крупный массив ненарушенных пород. Поиск такого массива для шахтного хранилища представляет собой сложную задачу, в особенности с учетом возможности появления в нем тектонических нарушений в будущем. B хранилищах, представляющих собой поле скважин, отдельные скважины являются конструктивно независимыми элементами, для каждого из которых требуется значительно меньший блок ненарушенных пород, чем для хранилища шахтного типа. Oтсутствие необходимости в крупном массиве ненарушенных пород, относительная простота и меньшие затраты на сооружение являются весьма существенными преимуществами хранилищ скважинного типа, рассматриваемого в настоящее время как один из перспективных вариантов подземного размещения радиоактивных
отходов атомной промышленности (Smellie, 2004). Выбор того или иного типа хранилища представляет собой весьма сложную задачу, решение которой зависит от множества различных факторов, включая технико-экономические характеристики и социально-политические аспекты. Одним из важнейших показателей эффективности использования территории, отведенной для сооружения хранилища, является допустимая плотность загрузки территории отходами. Эта величина равна отношению массы ВАО, которая может быть безопасно размещена в подземном хранилище, к площади территории, отведенной для этого хранилища. В данной работе приводится методика оценки этого параметра для хранилища скважинного типа в зависимости от свойств ВАО и вмещающих пород. Полученные оценки используются для сравнительного анализа перспективности хранилищ скважинного и шахтного типов.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Миграция радионуклидов в геологической среде осуществляется преимущественно за счет их переноса подземными водами. Течение подземных вод складывается из двух основных составляющих: регионального (вынужденного) течения, обусловленного неоднородностью рельефа земной поверхности, и свободноконвективного течения, возникающего за счет неоднородной плотности подземных вод. Эта неоднородность плотности может быть следствием различной солености или разницы температур в различных точках во-донасыщенной подземной среды.
Для уменьшения скорости переноса радионуклидов подземными водами одним из основных условий к выбору участка для подземного хранилища ВАО является малая скорость регионального течения подземных вод. Однако необходимо учитывать, что продолжающиеся процессы радиоактивного распада в ВАО, загруженных в подземное хранилище, приводят к весьма значительному тепловыделению (Roglans-Ribas, Spinrad, 1989; Рыбальченко и др., 1994). Вследствие этого вмещающие породы вблизи загруженной области хранилища ВАО нагреваются, и подземные воды вблизи загруженной части приобретают более высокую температуру и, следовательно, меньшую плотность, чем подземные воды вдали от хранилища. За счет этого вблизи загруженной части хранилища формируются восходящие термоконвективные токи подземных вод (фиг. 1). Этими токами радионуклиды, поступающие из ВАО в подземные воды, могут переноситься от загруженной части хранилища к поверхности Земли. В условиях малых скоростей регионального течения термоконвективный перенос радионуклидов -один из основных факторов, определяющих на-
МАЛЬКОВСКИИ, пэк Oсь скважины I
Поверхность Земли
Ячейки термоконвективной циркуляции подземных вод
Фиг. 1. Схема термоконвективного переноса радионуклидов из контейнеров с твердыми BAO, размещенными в нижней части скважины большого диаметра.
d - расстояние от поверхности Земли до верхнего контейнера с BAO; l - длина загруженной части скважины.
дежность геологического барьера и опасность выноса радионуклидов из хранилища в биосферу.
Процесс распространения радиоактивного загрязнения из хранилища подземными водами может представлять опасность для биосферы в течение сотен и даже тысяч лет. Bследствие этого единственным обоснованным способом количественной оценки поступления радионуклидов из хранилища в биосферу является прогноз, полученный методами математического моделирования. На основании этого прогноза можно, например, получить зависимость концентрации радионуклидов в подземных водах у поверхности Земли над хранилищем BAO.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.