Подземные инженерные объекты.

В качестве наиболее представительных аналогов такого способа подземного захоронения РАО можно рассматривать концептуальные и проектные разработки для хранилищ в Швеции и Финляндии, которые размещаются в гранитоидных формациях.

Наиболее продвинутым в части практической реализации концепции захоронения РАО является проект хранилища SFR (Swedish Final Repository), расположенного вблизи АЭС «Форсмарк» в Швеции. Хранилище SFR, расположенное на глубине около 60 м под дном Балтийского моря в скальных породах, предназначено для захоронения эксплуатационных отходов низкого и среднего уровня активности от шведских АЭС, а также отходов, образующихся при эксплуатации временного хранилища отработавшего топлива CLAB и исследовательского центра Studsvik.

 

 

 

В соответствии со шведской программой, реализация которой запланирована до 2010 г., общая вместимость хранилища составляет 90000 м³ радиоактивных отходов. Хранилище должно быть построено в две фазы.

Первая фаза строительства хранилища, рассчитанная на размещение 60 000 м³ отходов, была завершена в 1988 г. Комплекс основных подземных сооружений первой фазы хранилища включает несколько выработок различных размеров и назначения (рис. 7).

 

 

Строительство подземного комплекса хранилища было начато в июле 1983 г. Для первой фазы хранилища SFR была принята следующей технология строительства подземного комплекса. Проходка подземного комплекса осуществлялась через две подходные выработки. Примерно в 200 м от порталов вошли в зону геологического разлома, в которой производили опережающее разведочное бурение скважин для составления более детальной геологической карты участка и определения точных границ разлома. Гидроизоляцию подходных выработок осуществляли двойной цементационной завесой в своде и в почве. В качестве временной крепи использовали анкеры с набрызгбетоном (торкретбетоном) В пределах ослабленной зоны обустраивали дополнительную анкерную набрызгбетонную крепь. Выбор параметров сечения подходных выработок производили с учетом габаритов транспортного оборудования, а также размещения вентиляционного оборудования, трубопроводов, электрических кабелей и других вспомогательных систем.

Эксплуатационный подходной туннель имеет длину более 1000 м и поперечное сечение 60 м². Свободное пространство для проезда транспорта в этом туннеле имеет высоту 5,3 м и ширину 5 м.

Для проходок основных сооружений хранилища было оборудовано 8 забоев. Проходческие работы были полностью завершены в марте 1986 г. После проходки подходных туннелей понадобился всего лишь один год, чтобы полностью завершить проходку сооружений на первой фазе строительства хранилища.

Подземными работами занимались 78 человек, 43 из них – проходкой, 22 – креплением и 13 – обслуживанием электромеханической части. Работы вели в две смены (по 7,2 часа) пять дней в неделю. Крепление осуществляли в ночную смену, что позволило не нарушать графика ведения буровзрывных работ, поддерживать высокий темп проходки.

В качестве постоянной крепи подземных камер использовали анкеры и армированный набрызгбетон. Анкеры длиной 3,85 м с диметром стержня 25 мм устанавливали по сетке 2×2 м по всей поверхности породного обнажения, после чего наносили армированный набрызгбетон.

Наиболее ответственным сооружением является вертикальная цилиндрическая выработка диаметром 30 м и высотой 70 м, предназначенная для захоронения наиболее радиотоксичных отходов - битумированных ЖРО в стандартных 200-литровых бочках и цементированных отходов в бетонных контейнерах.. В ней от днища на подушке из смеси бентонита и кварцевого песка с помощью скользящей опалубки за 3 недели был возведен сплошной бетонный бункер (силос) высотой 50 м. Объем бетона составил 8000 м³. Пространство между стенками силоса и породным контуром заполнено бентонитом. Для размещения отходов в силосе оборудованы ячейки, 57 из которых имеют сечение 2,5×2,5 м, а 12 – 1,25×2,5 м. Каждая ячейка после размещения в ней отходов закрывается бетонной пробкой.

Отходы с меньшей активностью направляются на захоронение в четыре горизонтальные выработки длиной 160 м каждая. Отходы среднего уровня активности в бочках или бетонных контейнерах размещаются в выработке пролетом 19,5 м и высотой 16,5 м. Для отходов низкого уровня активности в стальных коробках или бочках (мусор, металлический скрап), которые перед захоронением помещаются в большие стальные контейнеры, используется выработка пролетом 15 м и высотой 12,5 м. Две выработки пролетом 14,8 м и высотой 9,5 м каждая предназначены для захоронения обезвоженных гранулированных смол и фильтрующих материалов, помещаемых в большие бетонные контейнеры (3,3 1,3 2,3 м).

В Финляндии для захоронения РАО рассматриваются две площадки вблизи действующих АЭС: Ловиса и Олкилуото. В соответствии с проектом основные сооружения строящегося хранилища Олкилуото, расположенные на глубине 50-100 м в скальном массиве, представляют собой две вертикальные цилиндрические выработки (силосы) диаметром 22 м и высотой около 25 м (рис. 8). Одна из этих выработок предназначена для размещения низкоактивных отходов, а другая - для отходов среднего уровня активности.

 

Согласно проекту хранилища Ловиса, подземный комплекс должен быть расположен на глубине 110-125 м в скальном массиве. Наряду со вспомогательными сооружениями подземный комплекс включает основные выработки, предназначенные для размещения отходов различного типа и уровня активности, а именно:

- горизонтальные выработки длиной до 100 м, среди которых – выработки, имеющие площадь поперечного сечения 25 м² для твердых горючих и негорючих эксплуатационных отходов; выработки с площадью сечения около 300 м² для отвержденных эксплуатационных отходов; выработки для отходов от демонтажа, которые помещаются в контейнеры;

- специальные вертикальные выработки для размещения крупногабаритного оборудования и высокоактивных отходов от демонтажа.

Геологическое захоронение.

Как мы уже отмечали, геологическое захоронение РАО подразумевает размещение хранилищ (могильников) на глубине, по крайней мере, несколько сотен метров. Для такого способа захоронения в мировой практике рассматриваются различные типы хранилищ, предполагающих использование специально создаваемых подземных сооружений и отработанных рудников. Для иллюстрации современных тенденций в строительство геологических хранилищ ограничимся несколькими примерами: хранилище хранилища WIPP (США), проект «Конрад» по захоронению РАО в Германии и концептуальные проекты геологического захоронения высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива.

Хранилище WIPP (Waste Isolation Pilot Plant) является единственным в мире действующим объектом геологического захоронения РАО. Подземные работы по созданию хранилища были начаты в 1981 г. и продолжались в течение 1980-х годов. Четыре вертикальные шахты обеспечивают доступ к подземному комплексу и вентиляцию подземных сооружений, предназначенных для захоронения трансурановых отходов. Подземный комплекс, расположенный на глубине примерно 655 м и построенный к 1988 г., состоит из 56 больших камер длиной около 90 м, шириной 10 м и высотой около 4 м, каждая (рис. 9). Наземный комплекс хранилища включает здание по обращению с отходами, где поставляемые контейнеры с отходами должны быть разгружены, проведена инвентаризация отходов и выполнены работы по подготовке отходов к захоронению. Кроме того, на поверхности располагаются медицинская лаборатория, здание фильтров вытяжной системы вентиляции, аварийные электрические генераторы и административное здание. Хранилище располагает собственным пожарным подразделением, службой медицинского обслуживания

и горноспасательной службой.

 

Первый могильник в Германии создается на базе заброшенной железорудной шахты Конрад (на время принятия решения о строительстве могильника ФРГ еще не была объединена с ГДР, которая к тому времени располагала хранилищем в Морслебене). Он предназначен для окончательного захоронения нетепловыделяющих отходов низкого и среднего уровня активности. Шахта Конрад – новейшая из всех выработанных железорудных месторождений Германии. Она была сооружена для разработки пласта железистых оолитов толщиной 40 м, который сверху покрыт породами каменноугольного периода, состоящими, в основном, из глинистых минералов общей толщиной несколько сот метров. Это обстоятельство, а также крайне низкая влажность в галереях и приемлемые механические характеристики горных пород стали главными факторами, оказавшими влияние на решение преобразовать шахту Конрад в могильник для РАО.

В шахте Конрад имеется два вертикальных ствола диаметром 7 м, доходящие до глубины 1000 и 1200 м, соответственно (рис. 10). В соответствии с национальными требованиями безопасности, эти шахтные ствола будут иметь различное назначение.

 

 

 

Ствол №1 предназначается для транспортировки персонала, подачи свежего воздуха в галереи и подъема породы, вынимаемой при сооружении новых подземных камер; ствол №2 – для транспортировки упаковок с отходами и вытяжки воздуха из подземных выработок. Эти стволы разделены расстоянием примерно 1,5 км, что обусловлено профилем местности и условиями, сложившимися при эксплуатации железорудной шахты в прошлом.

Принятый принцип разделения грузопотоков способствовал тому, что в комплексе наземных сооружений удается резко сократить зону потенциально возможных загрязнений за счет концентрации всех «чистых» операций в районе ствола №1.

Камеры-штольни для складирования и окончательного захоронения упаковок с РАО имеют длину до 1000 м и сечение около 40 м² (высота 6 м, ширина 7 м). Подземные сооружения, предназначенные для захоронения РАО, расположены на четырех горизонтах (рис. 9): 800-850 м; 1000-1100 м; 1100-120 м; 1200-1300 м. Для транспортировки будут использованы пробитые ранее галереи высотой 4,5 м как горизонтальные, так и с уклоном (типа пандуса). В связи с этим для могильника Конрад разработаны дизельные автопогрузчики специальной конструкции, которые перевозят упаковки в компактной конфигурации, перемещают их вдоль и поперек камеры и размещают в три яруса. После загрузки упаковок в выработку, оставшееся пространство вокруг контура сложенных в три яруса упаковок с РАО, которое составляет около 40% всего объема выработки, будет заполнено адсорбентом-заполнителем. Эту операцию осуществляют при помощи специального укладчика, оснащенного защитной кабиной, бункером и выдвижной стрелой с гидравлической подачей адсорбента (рис. 11). Заполнение необходимо для снижения свободного воздушного пространства, при этом не ставится цель герметизировать сложенные контейнеры.

Заполненную штольню намечено изолировать от транспортной галереи и основной вентиляционной системы с помощью забивки оставленного свободного участка штольни (около 25 м) ранее вынутой породой.

Наряду с рассмотренными основными положениями, на которых базируется проект могильника Конрад, следует отметить, что старые камеры закрытой шахты не будут использоваться для захоронения РАО. Заброшенные подземные выработки шахты позволяют соорудить новые шурфы и камеры емкостью около 1 млн. м³, что достаточно для захоронения радиоактивных отходов в течение 40 лет с сохранением 50%-го резерва.

Несколько иные конструктивные решения положены в основу концептуальных проектов подземных могильников для захоронения высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) в геологических формациях.

В определенной степени традиционными можно признать инженерно-технические решения, которые нашли наиболее широкое распространение в проектных разработках различных стран, планирующих прямое захоронение ОЯТ. В этих разработках контейнеры с ОЯТ планируется размещать в скважинах большого диаметра (до 2400 мм). При этом в каждой скважине может размещаться от одного до трех контейнеров. Так, например, в финском концептуальном проекте хранилища ОЯТ комплекс подземных сооружений, расположенный на глубине 500 м в скальных породах, представляет собой систему горизонтальных вспомогательных выработок пролетом 3,3 м и высотой 4,5 м, предназначенных для выполнения транспортно-технологических операций на стадии заполнения (эксплуатации) хранилища. С подошвы этих выработок проходятся специальные скважины диаметром 1,5 м и глубиной 7,5 м (рис. 12), которые предназначены для размещения упаковок с отработавшим топливом (по одной упаковке в скважине).

 

Аналогичная по инженерно-техническим решениям концепция разрабатывается в Швеции для геологического захоронения отработавшего ядерного топлива и долгоживущих РАО различного уровня активности и типа, к которым, в частности, относятся и наиболее радиотоксичные материалы от демонтажа реакторных установок шведских АЭС.

В концептуальном проекте японского подземного могильника скважинного типа для захоронения высокоактивных отходов от переработки отработавшего ядерного топлива ширина и высота сечения горизонтальных выработок одинаковы и составляют 3,5 м. Остеклованные отходы помещаются в цилиндрические стальные контейнеры диаметром около 400 мм и высотой примерно 1400 мм, которые размещаются в скважинах диаметром 800 мм и глубиной 4000 мм. Минимальная вместимость могильника составляет 10000 контейнеров, но разрабатываемый проект предполагает возможность расширения вместимости могильника до 20000-40000 контейнеров. В соответствии с проектом подземные выработки для захоронения отходов должны располагаться на глубине около 1000 м. В японском проекте расстояние между центрами параллельно располагаемых горизонтальных выработок составляет три поперечных размера этих выработок (10,5 м), т.е. толщина целика между выработками соответствует удвоенному пролету горизонтальных выработок.

После размещения контейнеров в могильнике пространство в скважинах между каждым контейнером и вмещающим массивом заполняется уплотненным бентонитом. Толщина такого барьера в различных проектах варьируется от 250 до 760 мм в радиальном направлении и до 1 м вдоль оси скважины. Примерно 1,5 м в верхней части скважин и вспомогательные горизонтальные выработки после завершения эксплуатационного периода заполняются смесью бентонита и измельченной породы (см. рис. 12).

Таким образом, краткий обзор практики проектирования могильников для окончательного подземного захоронения радиоактивных материалов позволяет выделить некоторые общие принципы конструктивно-компоновочных решений:

- отходы низкого и среднего уровня активности, как правило, размещаются в горизонтальных выработках сечением от 25 до 300 м² и длиной до 1000 м;

- компоновка выработок для НАО и САО варьируется в зависимости от уровня активности, радионуклидного состава отходов и массогабаритных параметров контейнеров с отходами;

- для размещения отходов высокого уровня активности (включая ОЯТ) и некоторых видов САО (тепловыделяющие или со значительным содержанием долгоживущих радионуклидов) могут быть использованы как специальные инженерные сооружения (вертикальные выработки диаметром до 30 м и скважины диаметром до 2,5 м), так и горизонтальные выработки. В проектах таких могильников, как правило, предусматривается применение закладочных материалов, обладающих высокими изолирующими свойствами (например, на основе бентонитовых глин).