Траншейный способ захоронения отходов

Опыт создания пунктов захоронения РАО в странах мира

Классификация и способы захоронения РАО

Система классификации РАО, применяемая в МАГАТЭ в настоящее время, основана на времени, в течение которого те или иные отходы представляют опасность (период распада нуклидов), так как это напрямую влияет на требования к технологиям окончательного захоронения отходов.

В связи с этим, упомянутая система включает в себя следующие категории:

• освобождённые от контроля отходы (ОО);
• очень низкоактивные отходы (ОНАО);
• очень короткоживущие отходы (ОКЖО);
• низкоактивные отходы (НАО);
• среднеактивные отходы (САО);
• высокоактивные отходы (ВАО).

На Рис.1 схематично представлены существующие варианты обращения с различными РАО в зависимости от их принадлежности к той или иной категории.

Для короткоживущих низко- и среднеактивных отходов (НАО и САО-КЖ) применяются различные типы приповерхностных захоронений, при которых РАО размещаются непосредственно на поверхности, в траншеях или в структурах шахтового типа.

Глубина подобных захоронений составляет, как правило, от нуля до нескольких десятков метров.

Специализированные могильники для высокоактивных отходов, отработавшего топлива и долгоживущих низко- и среднеактивных отходов (ВАО, ОЯТ, НАО и САО-ДЖ) проектируются на глубине нескольких сотен метров от поверхности (как правило, не менее 500 м).

Варианты реализации приповерхностного захоронения РАО

Все варианты реализации приповерхностных захоронений РАО опираются на систему пассивных барьеров безопасности для предотвращения перемещения радионуклидов в биосферу (или значительного замедления этого процесса). При этом используются различные сочетания инженерных и естественных барьеров.

Особенности применяемых барьеров могут существенно отличаться в том или ином проекте приповерхностного захоронения. Существует, по крайней мере, три различные концепции подобных захоронений, в зависимости от их расположения относительно поверхности земли.

Захоронение на поверхности

В этом случае, захоронение сооружается непосредственно на поверхности земли, образуя возвышение.

При этом используются преимущественно инженерные барьеры, а наибольшие усилия направлены на то, чтобы предотвратить проникновение воды в само захоронение и таким образом контролировать перемещение радионуклидов, являющееся само по себе очень медленным процессом.

Примерами подобных захоронений могут служить могильники РАО в департаменте Об во Франции и Эль Кабриль в Испании.

Так как отходы размещаются высоко над грунтовыми водами, то они остаются сухими до тех пор, пока защитные барьеры находятся в целости, что при осуществлении должного контроля может продолжаться сотни лет.

Другое преимущество данного подхода заключается в том, что требования к площадке предъявляются умеренные, то есть бывает сравнительно легко найти места, отвечающие техническим требованиям к такому типу захоронения.

При этом главным недостатком такого варианта решения проблемы обращения с РАО является тот факт, что покрытие захоронения подвергается выветриванию и особенно эрозии, что может в перспективе нанести ущерб его целостности.

Траншейный тип захоронения

В этом случае отходы размещаются в инженерных траншеях непосредственно в земле. Захоронение может располагаться как над грунтовыми водами, так и под ними.

При этом стоимость строительства двух вышеупомянутых типов захоронений («на поверхности» и «траншейный») схожая, но для захоронения траншейного типа зачастую бывает сложнее найти технически приемлемое место, так как предъявляются более высокие требования к гидрогеологическим параметрам.

Воздействие выветривания и эрозии при таком варианте обращения с РАО по понятным причинам существенно ниже, чем при захоронении на поверхности, но из-за того, что оно обычно размещается ближе к грунтовым водам, бывает несколько сложнее оценить долговременную безопасность.

Коррозия и разложение инженерных конструкций могут быть более значительными с течением времени.

Примерами захоронений траншейного типа могут служить могильники РАО в Селлафилде (Великобритания) и в Рокасё Мура (Япония).

Подземное захоронение

В случае реализации данного варианта захоронения, РАО могут размещаться в разработанных подземных полостях с возможностью доступа к ним через специальные туннели.

В Швеции и Финляндии подобные захоронения РАО созданы в кристаллической породе.

Кроме того, в различных странах мира (Германия, Россия, Бельгия) проводились или проводятся исследования относительно возможности создания подобных объектов в солевой породе или в глине.

В этом случае отходы обычно размещаются под грунтовыми водами и таким образом, на всем протяжении периода эксплуатации подобного могильника вокруг его инженерных барьеров будет находиться насыщенная водой среда.

По понятным причинам, требования к месту строительства подобного подземного захоронения гораздо выше, чем при реализации варианта на поверхности или близко от поверхности земли, поэтому найти технически приемлемые места не так просто.

Создание подземных захоронений также является более дорогим мероприятием, по сравнению с двумя вариантами, описанными выше. Преимуществом данного подхода является то, что подземное захоронение будет занимать меньше площади на поверхности, будет менее заметным.

Глубинное захоронение РАО

Технологии глубинного захоронения НАО и САО-ДЖ, а также ВАО и ОЯТ изучаются ведущими странами мира довольно-таки давно.

Некоторые из них уже построили специализированные подземные научно-исследовательские лаборатории в различных геологических формациях с целью разработки проектов больших хранилищ и изучения факторов, которые будут влиять на их характеристики в долгосрочной перспективе (Таблица 1, данные Nuclear Energy Agency).

Разрабатываемые проекты глубинного захоронения основаны на многобарьерной системе обеспечения пассивной безопасности.

Таблица 1 — Статус подземных лабораторий по захоронению РАО и ОЯТ.

Страна	Геология	Площадка и статус
Бельгия	Глина	Моль. Лаборатория HADES, действует с 1984 г.
Финляндия	Гранит	Олкилуото. Лаборатория ONKALO, срок ввода — 2022 г. НИОКР на площадке ведутся с 1992 г. Выбрана площадка для большого хранилища.
Франция	Глина/мергель Глина	Турнемир. Опытная подземная установка, действует с 1992 г. Бюр-Содрон. Лаборатория действует с 2004 г.
Германия	Соль (купол) Соль (купол)	Ассе. Бывшая шахта, используется под НИОКР с 1996 г. Горлебен. Бывшая шахта. НИОКР велись с 1985 г., приостановлены в 2000 г. Решение о возобновлении принято в 2010 г.
Япония	Гранит Осадочные породы	Мицунами. Лаборатория действует с 1996 г. Хоронобе. Лаборатория строится.
Россия	Гранит, гнейс	Красноярская обл. Начало строительства лаборатории — 2016 год. Планируется, что эта лаборатория станет первой очередью большого хранилища.
Швеция	Гранит	Стрипа. Бывшая шахта, использовалась под НИОКР с 1976 по 1992 г. Оскархамн. Лаборатория Aspo, действует с 1995 г.
Швейцария	Гранит Глина	Гримсель. Лаборатория действует с 1983 г. Мон-Терри. Лаборатория действует с 1995 г.
США	Соляной пласт	Карлсбад, Нью-Мексико. Опытный завод по изоляции РАО (WIPP), действует с 1999 г. как геологическое хранилище для военных трансурановых отходов, не выделяющих тепла. Юкка Маунтин, Невада. НИОКР на площадке проводились с 1996 г. Заявка на лицензию для хранилища подана в 2008 г., отозвана в 2010 г.

Значительный прогресс в направлении создания подобных хранилищ достигнут в Финляндии, Франции и Швеции. В США с 1999 года эксплуатируется единственный в мире опытный завод «Waste Isolation Pilot Plant» (WIPP) по изоляции долгоживущих НАО и САО (Рисунок 5).

В более отдалённой перспективе, при условии широкого внедрения замыкания ЯТЦ путём переработки ОЯТ, существующие запасы ОЯТ (сегодня часто воспринимаемые как отходы) могут стать ценным энергетическим ресурсом.

По этой причине пункты захоронения в некоторых странах проектируются так, чтобы ОЯТ из них можно было извлекать, по крайней мере, до тех пор, пока на законодательном уровне не будет принято решение об их окончательной изоляции.

Основные причины задержки реализации многих программ по глубинному геологическому захоронению РАО и ОЯТ в странах мира:

• вопрос приемлемости для общественности такого варианта решения проблемы (обоснование безопасности на долгосрочную перспективу);
• во многих странах в этом нет срочной необходимости, в то время как ожидание («wait and see») является техническим преимуществом;
• неопределённость в отношении национальной политики обращения с ОЯТ;
• неопределённость в отношении будущего атомной энергетики.

При этом также рассматриваются варианты создания многонациональных хранилищ РАО. Плюсами такого подхода являются, как минимум, экономическая эффективность, а также повышение уровня безопасности (одно большое общее хранилище вместо нескольких малых региональных).

Нерешёнными при этом остаются следующие вопросы: финансирование работ, право собственности на РАО, долгосрочные обязательства, принятие такого варианта общественностью.

В Таблице 2 представлены объёмы финансирования национальных программ по созданию пунктов захоронения РАО в глубинных геологических формациях (по данным Nuclear Energy Insider).

Для сравнения, инвестиционная программа российского ФГУП «Национальный оператор по обращению с РАО» оценивается в 6,5 миллиардов долларов до 2040 года.

Таблица 2 — Финансирование национальных проектов по созданию пунктов геологического захоронения РАО, миллиардов долларов.

Источник

Захоронение высокорадиоактивных отходов в России

Я уже рассказывал о том, как занимаются ядерным наследием, т.е. накопленными ядерными проблемами прошлого века в виде, например, атомных подлодок, озер с радиоактивными отходами (РАО), промышленных реакторов. Но самой опасной с радиационной точки зрения штукой и в мирной и в военной атомных программах является облученное (или отработанное) ядерное топливо (ОЯТ) – то, что выгружают из реакторов. И при его переработке образуются самые высокоактивные РАО. Об их захоронении этот пост.

Схема пункта захоронения высокоактивных РАО в Красноярском крае. Источник.

Источники и виды РАО

Помимо основной массы непрореагировавшего урана, на каждую тонну ОЯТ приходится до 10 кг плутония и до 20-30 кг осколков деления – новых радиоактивных элементов, образовавшихся в результате деления ядерного топлива. Этот ядерный компот не только чрезвычайно химически токсичен, но и является настолько мощным источником излучения, что может убить человека буквально за минуты. При этом само ОЯТ в нашей стране, как и в некоторых других, не считается отходом (хотя это не везде так), поскольку в России принята стратегия постепенного перехода на замкнутый ядерный топливный цикл с переработкой ОЯТ и выделением из него урана и плутония для последующего вторичного использования.

Однако при переработке ОЯТ образуются самые высокоактивные отходы, которые содержат как продукты деления, так и долгоживущие трансурановые элементы. Всего РАО по российской классификации делятся на несколько классов:

Классификация РАО. Источник

Так вот, при переработке ОЯТ образуются самые опасные из них — 1-го (высокоактивные отходы с высоким тепловыделением) и 2-го класса (высоко- и среднеактивные отходы с низким тепловыделением). Переработка каждой тонны ОЯТ дает десятки кубометров высокоактивных жидких отходов. Перерабатывают их пока только на ПО «Маяк» путем остекловывания. Сейчас на временном хранении там накопилось около 7000 м3 таких остеклованных отходов, в которых заключено более 700 млн Ки активности. Про остекловывание ВАО на Маяке можно посмотреть вот этот репортаж:

По действующему законодательству все РАО должны отправляться на окончательное захоронение. Созданием таких пунктов захоронения РАО (ПЗРО) с 2011 года занимается специальная организация — Национальный оператор по обращению с РАО. Уже введен в строй первый пункт ПЗРО в Новоуральске, строятся еще несколько пунктов вблизи мест образования и временного хранения РАО (В Озерске, Северске и др). Но все эти ПЗРО рассчитаны на РАО 3 и 4 классов – средне и низкоактивные отходы. Для них достаточно создать приповерхностные хранилища, в которых радионуклиды распадутся естественным образом за 400-500 лет.

В поисках надежного места

А как быть с отходами 1 и 2 классов, которые будут распадаться еще тысячи и миллионы лет? Для них нужно построить такое хранилище, которое позволит локализовать отходы в одном месте в течение такого длительного срока. Но у людей попросту нет опыта строительства чего-либо, рассчитанного на такой срок службы. Даже египетским пирамидам всего несколько тысяч лет.

Поэтому в мире принят подход по поиску чего-то надежного, что создано гораздо лучшим строителем и изобретателем – самой природой. Речь о подземных геологических породах, сохраняющихся миллионы лет. Интересно, что природа уже дала людям подсказки, что такой способ захоронения РАО в принципе реализуем. Около 2 млрд лет назад «работал» известный ядерный реактор в урановом месторождении Окло в Габоне, в Африке. Естественная цепная реакция привела к образованию того же типа радиоактивных отходов, как и в искусственных ядерных реакторах. Исследования показали, что большинство продуктов деления, а так же плутоний, переместились не более чем на 1,8 м от того места, где они сформировались 2 млрд лет назад.

Но прежде чем организовать такого рода искусственное хранилище, надо изучить предполагаемые места их размещения и убедиться, что они для этого подходят. Для этого сначала на месте будущего глубинного ПЗРО (ПГЗРО), или независимо от него, строят подземную исследовательскую лабораторию (ПИЛ). Подобных лабораторий в мире существует около трех десятков, а некоторые уже функционируют как пункты глубинного геологического захоронения, например, опытная установка по изоляции трансурановых РАО WIPP в США (соляные формации на глубине 650 м) и пункт захоронения короткоживущих НАО и САО в Венгрии, сооруженный на глубине 250 м в гранитных породах. Однако подобных сооружений, предназначенных для дальнейшего захоронения высокоактивных отходов, на 2015 год было всего 4:

Статус сооружения глубинных лабораторий и пунктов захоронений для высокоактивных отходов на 2015 г. Источник.

Схема подземного хранилища ОЯТ Онкало в Финляндии — одного из самых первых и наиболее продвинутых подобных хранилищ. Подробнее о нем можно почитать в посте у tnenergy

В России сейчас пока нет ПГЗРО для опасных отходов, но работы по его созданию ведутся давно. И сейчас уже начато строительство подземной лаборатории. Место для нее начали выбирать еще с начала 1990-х. Как и с другими видами РАО, подходящие места для пунктов финальной изоляции подыскивались вблизи объектов образования отходов для сокращения транспортных операций. Поскольку отходы 1-го и 2-го класса образовывались в основном при переработке ОЯТ, т.е. на комбинатах «ПО «Маяк», ФГУП «ГХК», и АО «СХК» (там, где работали промышленные реакторы), то рассматривались площадки рядом с ними. Подходящее место нашлось возле Горно-химического комбината в Нижнеканском массиве (НКМ) скальных пород, в 6 км от города Железногорска и в 4,5 км от реки Енисей. Немаловажным оказался и сам факт длительной эксплуатации подземного Горно-химического комбината. Но еще важнее то, что именно на ГХК уже создано хранилище ОЯТ ВВЭР-1000, а в будущем тут планируют построить масштабный завод РТ-2 по переработке этого ОЯТ, так что в будущем ПГЗРО будет как раз вблизи места образования высокоактивных РАО.

Площадка для подземной исследовательской лаборатории в Нижнеканском массиве.

В 2008-2011 для обоснования строительства ПИЛ пробурили геологоразведочные скважины глубиной до 700 метров. Возможность размещения пункта, прежде всего, зависит от геологических условий. Среда должна быть малопроницаемой – это может быть глина, соль, непористые скальные породы. В Финляндии и Швеции, например, подобные ПЗРО разместили в скальных породах, во Франции – в глинах. В НМК геологическая среда — горная порода гнейс, возрастом более 2,5 млрд лет в виде цельного массива размером полтора на полтора километра.

Подземная исследовательская лаборатория
Подземная исследовательская лаборатория будет представлять из себя сеть подземных сооружений на глубине 450-550 метров и будет включать в себя:

• три вертикальных ствола (технологический для спуска РАО, а на этапе стройки — для подъема породы, вспомогательный – для спуска работников, третий — вентиляционный.), два из которых будут иметь диаметр 6 и 6,5 метров;
• горизонтальные выработки, оконтуривающие площадь будущего размещения подземных сооружений ПГЗРО для захоронения РАО на горизонте 450 м;
• исследовательские выработки НКМ-лаборатории на горизонтах глубиной 450 и 525 метров;
• дополнительно на горизонте 450 метров создается поперечная выработка для исследований массива горных пород внутри площади будущего размещения подземных сооружений ПГЗРО.

Схема ПИЛ

РАО 1-го класса планируется захоранивать в вертикальных скважинах глубиной 75 метров, в толстостенных пеналах, с мощным бентонитовым барьером. РАО 2-го класса – в штабелях контейнеров в горизонтальных подземных выработках. Однако загрузка РАО начнется не раньше, чем через 10 лет.

До этого надо построить ПИЛ и провести в ней поэтапные исследования по 150 направлениям – это и дополнительные исследования пригодности горных пород для безопасного глубинного захоронения долгоживущих РАО, исследование свойств системы инженерных барьеров, созданных человеком, отработка транспортно-технологических схем строительства и эксплуатации объекта. Часть работ будет идти параллельно со строительством ПИЛ. Курировать проведение исследований будет Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН.

Вид на стройплощадку ПИЛ в 2019 году. Источник.

Строительные работы начались на объекте в 2018 году. Сейчас они ведутся на поверхности, идет выравнивание площадки, строительство наземных объектов, ведётся подготовка к горнопроходческим работам. Буровые работы начнутся в следующем году, после завершится строительство энергетического комплекса мощностью 40 МВт. На каждый ствол при проходке потребуется около 4 МВт, так что мощности будут с запасом. С началом бурения начнутся и исследования.

Помимо ПИЛ создается наземный Демонстрационно-исследовательский центр (ДИЦ). В нем будут тренироваться работать с оборудованием по обращению с РАО, с его упаковками и транспортными контейнерами, с системами контроля, а также работать с общественностью и экспертами. Т.е. это будет своего рода наземный офис ПИЛ.

Завершить создание ПИЛ планируют в 2026 году. Затем еще в течение минимум 5 лет буду идти исследования, однако планы могут сдвинуться, т.к. объект уникальный и заранее запланировать все нельзя, а ответственность огромная. Зарубежная практика такова, что исследования на подобных объектах идут минимум 10-20 лет. Плюс в том, что мы можем частично использовать чужой опыт.

После проведения всех исследований, где-то в 2030-х, начнется поэтапное строительство собственно пункта захоронения, а затем и его эксплуатация. Конечно, лишь в случае, если исследования подтвердят, что место пригодно для захоронения РАО 1-го и 2-го классов. Если нет, то его можно будет перепрофилировать под хранение менее долгоживущих отходов.

Цена вопроса

Как и большинство программ по атомному наследию, работы по созданию ПИЛ и ПГЗРО ведутся в рамках федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016-2020 годы и на период до 2030 года» (ФЦП ЯРБ-2). Бюджет проекта по созданию ПИЛ составляет 24 млрд рублей. По федеральному закону «Об обращении с РАО. » от 2011 года отходы поделены на федеральную собственность (то что накоплено до 2011) и собственность производителей РАО. Собственники отходов в будущем будут сдавать их на захоронение на платной основе, при этом текущие тарифы составляют около 1,4 млн. рублей за 1 м3 РАО 1-го класса и около 600 тыс. р. за 1 м3 РАО 2-го класса.

Использованные источники и полезные ссылки по теме:

Источник