Оптимизация параметров экранирующего слоя в приповерхностных хранилищах радиоактивных отходов

Радиоактивные отходы (РАО) являются неизбежным продуктом функционирования атомной энергетики, использования ядерных и некоторых других технологий, добычи и переработки урановых руд, применения источников ионизирующего излучения и радиоактивных веществ в промышленности, науке, медицине и т. п. В Украине работают 4 атомные электростанции (АЭС), несколько исследовательских ядерных реакторов, комбинат по добыче и переработке урановых руд и около 8 тыс. предприятий и организаций, которые используют радиоактивные материалы и в результате деятельности которых образуются радиоактивные отходы.

Уже сейчас создалась сложная экологическая ситуация в Украине, отягощенная последствиями Чернобыльской катастрофы: в результате аварии на л.

ЧАЭС около 50 тыс. км территории страны, где проживает 3,5 млн. людей, л подверглись радиоактивному загрязнению, в т. ч. более 2 тыс. км занимает 30 км зона отчуждения, имеющая уровни радиоактивного загрязнения, недопустимые для проживания населения. Существует опасность переполнения хранилищ РАО на АЭСотмечаются несоблюдения технологий при хранении радиоактивных отходов и нарушения радиационной безопасности в местах их сосредоточения. Отходы добычи и переработки урана и некоторых других сырьевых ресурсов (уголь, железо, фосфаты и прочие руды, строительные материалы), постепенно ухудшают радиационную обстановку в ряде регионов страны.

В настоящее время на территории Украины накоплено свыше 40 тыс. м3 отходов различной активности от эксплуатации АЭС, около 4,5 тыс. м РАО, образовавшихся на промышленных предприятиях, в научных, медицинских и других учреждениях. В пунктах захоронения (ПЗРО) и временной локализации отходов (ПВЛРО) зоны отчуждения ЧАЭС сосредоточено ~2 млн. м3 РАО. Ожидается, что основной объем РАО на промплощадке ЧАЭС при снятии ее с эксплуатации и преобразовании объекта «Укрытие» составит более 800 тыс. м3.

Законом Украины [1] определены основные положения стратегии обращения с радиоактивными отходами, заключающиеся в следующем: приоритет защиты человека и окружающей природной среды от влияния РАОминимизация уровня радиационной опасности, экономического и социального ущербанедопущение несанкционированного накопления РАОминимизация объемов их образованиямаксимально возможная концентрация, локализация и изоляция отходовцентрализация системы обращения с РАО, в частности — централизация хранения и захоронения отходов.

Надежная изоляция и длительное хранение/захоронение РАО на многие столетия и тысячелетия является чрезвычайно сложной технической задачей, которая не может быть полностью перенесена на плечи будущих поколений. Решение этой задачи в условиях густонаселенной территории и промышленных центров Украины, тяжелейших последствий Чернобыльской катастрофы имеет важнейшие экологический и социально-экономический аспекты: защиты населения и окружающей природной среды от вредного влияния радионуклидов и определяет перспективы страны в развитии энергетики и других высоких технологий, в конечном результате — рост благосостояния народа, охрана его здоровья и среды обитания.

Работы по изоляции радиоактивных отходов в Украине развиваются на основе начинавшихся еще во времена СССР программ обеспечения радиационной безопасности в атомной энергетике, урановой и других отраслях промышленности. В настоящее время эти работы являются приоритетными и выполняются в рамках Государственной (Комплексной) программы обращения с РАО в Украине.

Наиболее достижимым, экономичным и надежным способом изоляции низко и среднеактивных отходов является их размещение в приповерхностных хранилищах, отвечающих условиям многобарьерной защиты.

Исследования по изоляции РАО в таких хранилищах были начаты при отсутствии в Украине исчерпывающей информации и практического опыта в этой области. Поэтому была поставлена задача разработать и обосновать научно-технические основы надежной изоляции РАО в специфических условиях Чернобыльской зоны отчуждения. Работы по этому направлению велись в рамках специализации 25.06.36 «Геоэкология» и, в частности — области исследований.

Геоэкологическое обоснование безопасного размещения, хранения и захоронения токсичных, радиоактивных и других отходов".

По своему назначению работы относятся к поисково-теоретическим и направлены на получение новых, более полных знаний об изучаемом объекте. Исследования носили комплексный характер и включали в себя теоретические и экспериментальные работы, физическое и математическое моделирование, разработку конструктивных решений с использованием, в частности, средств и методов горного производства.

Основная идея работы: использование принципа многобарьерной защиты для ограничения распространения РАО за счет оптимизации параметров изолирующего подстилающего слоя.

Целью работы является установление закономерностей сохранения специально создаваемым подстилающим (экранирующим) слоем хранилища изоляционных свойств на период проведения регулирующего контроля.

Основными задачами исследований являются: анализ современного состояния обращения с РАО и методов изоляции в приповерхностных хранилищахразработка требований к конкретному объекту исследования (применительно к Чернобыльской зоне отчуждения) — обоснование параметров и типов приповерхностных хранилищисследование и выбор оптимальных параметров экранирующего слоя для приповерхностных хранилищоценка риска распространения радионуклидов для приповерхностных хранилищ.

Основными методами исследований являются: научное обобщение и анализ результатов исследований в данной и смежной областях науки, физическое и математическое моделирование, методы математическая статистика и теория вероятности, корреляционный и регрессионный анализы, методы теории прогнозирования, аналитические, натурные и лабораторные исследования на основе апробированных и специальных методик и программ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) Определение границ распространения радионуклидов во вмещающих породах с учетом параметров экранирующего слоя при нормальных и аварийных условиях.

2) Закономерности развития сорбционных и диффузионных процессов переноса радионуклидов в массиве экранирующего слоя, зависящие от ряда физических параметров слагающих материалов.

3) Оценка доз облучения, с учетом параметров экранирующего слоя, гарантирующая защиту населения и окружающей природной среды от влияния захораниваемых отходов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается: результатами и представительным объемом лабораторных и натурных исследованийвысокими показателями статистических связей, подтверждающими взаимосвязь параметров и т. д.- сопоставимостью экспериментальных и расчетных результатов с данными натурных исследований, подтвержденных в широком диапазоне условийподтверждением теоретических результатов опытными данными, полученными на реальных объектах, соответствием их основополагающим закономерностям.

Научная новизна работы заключается в следующем: впервые в Украине обоснованы конструкции модульных хранилищ РАО и системы инженерных барьеров применительно к Чернобыльской зоне отчужденияпроведены пионерные исследования воздействия отходов на окружающую природную среду, персонал и население при сооружении и заполнении хранилища и в постэксплуатационный периодвпервые для Чернобыльской зоны отчуждения проведены исследования миграции РН через инженерные барьеры и протекающих при этом геохимических процессовна основании экспериментальных исследований получены показатели защитных свойств сорбционного слояразработана и обоснована сеть наблюдательных скважин и регламент контроля для своевременного принятия мер предотвращения загрязнения грунтовых водвпервые рекомендована адаптация математической гауссовой модели к конкретным условиям распределения примесей в атмосфере при расчетах распространения радионуклидов от точечных источников выбросов.

Научное значение диссертации состоит в получении новых данных для разработки методологической базы, обосновании технико-технологических решений по надежной и экологически безопасной изоляции отходов в едином Центре переработки и захоронения РАО в Украине.

Практическое значение работы. Дано геоэкологическое и экономическое обоснование безопасного размещения в Чернобыльской зоне отчуждения единого центра по переработке и захоронению низкои среднеактивных отходов всех предприятий, организаций и учреждений Украины (кроме предприятий добычи и переработки руды).

Обосновано создание многобарьерной инженерной изоляции хранилищ. В ней основным изолирующим барьером служит специальный сорбционный экранирующий слой. Даны практические рекомендации по технологии приготовления и укладки сорбционного слоя. Предложенная конструкция хранилищ обеспечивает безопасность хранения РАО как при нормальных, так и аварийных условиях их эксплуатации.

В качестве мероприятий по обеспечению функционирования хранилищ (кроме создания многобарьерной системы) рекомендована специальная сеть наблюдательных скважин. Разработанный регламент контроля состояния подземных вод позволит своевременно принять меры по предотвращению распространения радионуклидов в окружающую природную среду.

Реализация результатов исследований заключается в обосновании технической возможности и экономической целесообразности создания Центра переработки и захоронения РАО в Чернобыльской зоне отчуждения, что положено в основу ТЭО и проектной документации сооружения данного объекта, а также разработки основных положений:

1) «Стратегического плана Минчернобыля Украины в сфере обращения с радиоактивными отходами»;

2) «Государственной программы обращения с радиоактивными отходами», утвержденной постановлением Кабинета Министров Украины от 29 апреля 1996 г. № 480;

3) «Комплексной программы обращения с радиоактивными отходами», утвержденной постановлением Кабинета Министров Украины от 5 апреля 1999 г. № 542;

4) концепций консервации приповерхностных хранилищ «Буряковка» и «III очередь ЧАЭС» («Комплексный»).

Вышеуказанные документы прошли все соответствующие этапы Государственной экспертизы и утверждены в установленном порядке.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на советах и совещаниях в Государственном предприятии «Центр переработки и захоронения техногенных отходов („Техноцентр“)» — как эксплуатирующей организации будущего ЦПЗ, в Государственном комитете ядерного регулирования, Минчернобыле и МЧС Украины, УкрГО «Радон», двухсторонних встречах украинских и иностранных специалистов (России, Германии, Франции, Испании), международных конференциях и выставках, в т. ч. на семинаре «Проблемы и перспективы обращения с РАО в Украине», который проводился в рамках V Всеевропейской конференции министров охраны окружающей среды (Киев, март 2003 г.) и Международном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности в XXI веке» (г. Днепропетровск, январь 2004 г.).

Публикации. Основные положения работы изложены в ряде научных отчетов НТЦ КОРО и опубликованы в 2 монографиях и 11 научных статьях.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, содержит 30 рисунков, 46 таблиц, список литературы из 53 названий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ и РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Существующая система обращения с РАО в Украине не соответствует современным требованиям по уровню технической оснащенности, организации и управления, не может гарантировать радиационную безопасность окружающей природной среды и населения. В стране на практике реализуется экономически неэффективная децентрализованная схема обращения с РАО, осуществляется нескоординированная деятельность ведомств и отдельных предприятий по заказу и приобретению оборудования для переработки отходов и создания хранилищ РАО, что потребовало научных исследований о создании единого Центра переработки и захоронения РАО.

2. В результате выполненных исследований дано геоэкологическое и экономическое обоснование безопасного размещения единого центра по переработке и захоронению низкои среднеактивных отходов всех предприятий, организаций и учреждений Украины (кроме предприятий горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, включая урановую) является несравненно предпочтительным по следующим основным признакам: экономические преимущества концентрации производственной деятельности по переработке РАОорганизационно-технические преимущества в обеспечении и обслуживании оборудования, количество которого сокращаетсявозможность выделения под строительство единого хранилища территорий, выведенных на долгий период из хозяйственного пользования и не находящихся в ведении местных властейлучшие условия обеспечения безопасности хранения, учета и физической защиты РАО.

Создание ЦПЗ позволит снять назревшую необходимость строительства новых мощных и дорогостоящих хранилищ РАО на отдельных АЭС или центрального предприятия по переработке и хранению РАО на ЧАЭС, которые служат только для временного хранения отходов на полный (а при существующей системе переработки и хранения — неполный) срок эксплуатации АЭС.

Строительство ЦПЗ позволит постепенно освободить хранилища РАО на существующих блоках АЭС и создать буферную емкость для хранения отходов вновь вводимых блоков на этих АЭС без строительства собственных ХТРО и ХРО.

При централизованной схеме обращения с РАО: соответствующие участки (цеха) АЭС осуществляют лишь сбор и процессы предварительной подготовки РАО;

МСК УкрГО «Радон» перепрофилируются в пункты сбора, подготовки, временного контейнерного хранения отходов (ПСВХ) с последующей доставкой РАО в ЦПЗ для дальнейшей переработки и захоронения, предприятия зоны отчуждения проводят сбор, предварительную подготовку и транспортировку РАО в ЦПЗ.

3. Научно обосновано (в результате рассмотрения различных вариантов размещения ЦПЗ с позиции анализа социально-экономических, экологических и природных условий в районах предполагаемого размещения, а также оценки риска аварийных ситуаций), его размещение в пределах зоны отчуждения ЧАЭС (площадка «Вектор») по следующим признакам: наличие основной массы РАО — в зоне, вывоз которых с ее территории запрещен. соответствие природных условий требованиям, предъявляемым к условиям размещения долговременного хранилища низкои среднеактивных отходов (подтверждено актом выбора площадки «Вектор») — отсутствие в данном районе постоянного населения, хозяйственного и рекреационного использования территориивозможность реализации оптимальной схемы перемещения РАО, благодаря имеющейся развитой сети транспортных коммуникаций и удобному расположению района по отношению к основным поставщикам РАОотносительно меньшая степень риска аварийных ситуацийналичие в достаточном объеме материалов геологических, гидрогеологических, а также инженерных изыскании по площадке «Вектор».

4. Научно обосновано использование централизованной схемы, предусматривающей захоронение низкои среднеактивных отходов в Центре переработки и захоронения РАО в хранилищах приповерхностного типа, что позволит улучшить ситуацию со сбором и безопасным захоронением данной категории отходов в Украине и перейти на уровень передовых технологий. При этом доказано снижение риска обращения с РАО: переработка, долговременное хранение и захоронение отходов, перезахоронение их из существующих хранилищ твердых РАО МСК УкрГО «Радон» и АЭС будут осуществляться в ЦПЗ, отвечающем всем современным требованиям, что снизит число потенциальных очагов и риск распространения радионуклидов в окружающей природной средесоздаются условия для оперативного приема у поставщиков образующихся радиоактивных отходов и ликвидации временных складов этих отходов на территории предприятийтранспортировка РАО будет осуществляться с использованием параметрического ряда транспортных упаковок, невозвратных защитных контейнеров и специальных транспортных средств, отвечающих требованиям ПБТРВ-73 и международным нормамна основе исследования разработана многобарьерная инженерная система изоляции РАО в хранилище, включающей первичную упаковку или матрицу, невозвратный защитный контейнер повышенной надежности, заполнитель пустот в контейнере в виде цементного раствора или природного сорбента, железобетонный корпус секции, заполнитель пустот в секции, проти-вофильтрационный экран, пластовой дренаж с системой очистки инфильт-рационных вод, гидроизоляционный многослойный защитный экран, перекрывающий секции хранилища после заполнения и консервации.

5. В диссертации выполнены обладающие научной новизной работы: обоснование конструкции модульных хранилищ РАО и системы инженерных барьеровисследования воздействия отходов на окружающую природную среду, персонал и население при сооружении и заполнении хранилища и в постэксплуатационный период, отличающиеся тем, что они выполнены для конкретных условий зоны отчуждения ЧАЭСисследования влияния РАО на инженерные барьеры, переноса нуклидов, изучение геохимических процессов, что дало возможность оптимизировать инженерную барьерную систему для существующих условийэкспериментальные исследования для определения защитных свойств сорбционного слоя по отношению к миграции радионуклидов, а также изучение реформации этих свойств в зависимости от изменения его состава и влажности. Использование экспериментальных данных позволило оценить и выбрать состав защитного слоя и его параметры для предотвращения миграции радионуклидов в зоне аэрации и исключения поступления их в грунтовые воды. предложена сеть наблюдательных скважин и регламент их контроля для своевременного принятия мер для предотвращения загрязнения грунтовых водрекомендована адаптация математической Гауссовой модели к конкретным условиям распределения примесей в атмосфере при расчетах распространения радионуклидов от точечных источников выбросовпроведена экономическая оценка целесообразности использования отдельных процессов переработки РАО в зависимости от вида и объемов их поступления с учетом дальнейшего захоронения.

6. На основании изложенного в диссертации материала можно заключить следующее: впервые выполнен расчет миграции радионуклидов с помощью программы PAGAN из хранилища при отсутствии или разрушении барьеров. Прогнозные концентрации стронция-90 под хранилищами превышают питьевой норматив согласно НРБУ-97 (10 Бк/л) в несколько раз из-за его высокой миграционной способности и низких сорбционных свойств вмещающих захорешения грунтов. Однако на расстоянии первых десятков метров от хранилища концентрация уже не превысит допустимые концентрации вследствие дисперсии и радиоактивного распада. Прогнозные концентрации цезия-137 и плутония-239,240 под хранилищем и в их окрестности составляют не более 10″ 4 Бк/л, что не превышает питьевой норматив согласно НРБУ-97 (по цезию-137 — 100 Бк/л, по плутонию — 1Бк/л). Таким образом, при возможном поступлении атмосферных осадков внутрь хранилищ создается угроза выноса 90Sr в зону аэрации, а также загрязнение грунтовых вод, т. е. необходимо сооружение дополнительного защитного барьера в основании хранилища ТРОвпервые выполненные экспериментальные исследования сорбционного слоя.

117 показали, что величина квазидиффузии Cs в слое очень низкая, т. е. даже при консервативной прогнозной оценке цезий будет закреплен в верхней его части. При полной влагоемкости скорость квазидиффузии Cs увеличивается с уменьшением количества глины в смеси, сама величина квазидиффузии изменяется незначительнов результате исследований еще раз подтвержден тот факт, что перераспре.

QA | деление Sr происходит гораздо интенсивнее, чем Cs. Впервые оценены значения этих коэффициентов для различных смесей песка и бентонитовых.

90 137 глин. Коэффициенты квазидиффузии Sr превосходят таковые для Cs на два порядка величин. Положительная роль глин при удержании 90Sr отмечается лишь при небольшой влажности смесиконсервативная прогнозная оценка диффузионного переноса в многослойной толще, выполненная с помощью программы VIOLA, показала, что наличие сорбционного слоя позволит «удержать» наиболее подвижный %Sr в пределах основания хранилищ и предотвратить распространение радионуклида в зоне аэрации. По оценочным расчетам диффузионного переноса сделан вывод о том, что радионуклиды не достигнут УТВ. Таким образом, можно заключить, что предлагаемая конструкция хранилищ, а именно наличие метрового сорбционного слоя из смеси песка и бентонитовой глины обеспечит безопасность хранения РАО как при нормальных условиях эксплуатации, так и аварийных. Материалы оценки воздействия на окружающую среду входят в состав технико-экономического обоснования инвестиций комплекса производств «Вектор». экспериментальные исследования сорбционного слоя показали, что величина квазидиффузии радионуклидов определяется, при прочих равных условиях, влажностью смеси. Она максимальна при полной влагоемкости в веществе с минимальной пористостью. Для уменьшения величины квазидиффузии 90Sr в сорбционном слое, рекомендуется предусмотреть сооружение его (приготовление и укладку) с минимальной влажностьюв качестве мероприятий по обеспечению безопасного функционирования хранилищ (кроме создания многобарьерной системы) рекомендована сеть наблюдательных скважин. Контроль состояния грунтовых вод позволит своевременно принять меры по предотвращению распространения радионуклидов в окружающую среду. Разработанная сеть скважин реализована в настоящее время при строительстве I очереди пускового комплекса «Вектор».

7. В результате проведенных исследований получен комплекс сведений, позволяющий системно и целенаправленно выполнять работы при подготовке решений о надежной изоляции твердых и отвержденных НАО и CAO в приповерхностных сооружениях, что даст возможность практически улучшать экологическую обстановку и значительно снизить радиационную нагрузку в районах накопления РАО. Таким образом, впервые на территории Украины обоснована и реализуется идея централизованного (единого для республики или региона) хранилища преобладающей по количеству части радиоактивных отходов, сочетающая в себе существующую сеть сбора РАО межобластными спецкомбинатами «Радон» и АЭС и современную базу их переработки и захоронения по самым передовым технологиям.

Полученные результаты позволяют рекомендовать их к использованию для аналогичных работ в странах СНГ и дальнего зарубежья.