Проблема взаимодействия хранилища радиоактивных отходов

Проблема взаимодействия хранилища радиоактивных отходов

Термомеханические эффекты.

Нагрев окружающих материалов вследствие радиоактивного распада радионуклидов, содержащихся в отходах, начнется, как только отходы будут размещены в могильнике. Предполагается, что нагрев вызывает тепловое расширение вмещающей породы, приводящее к термическим напряжениям в породе в ближней зоне могильника. В создаваемом могильнике порода уже подвергается статическим напряжениями и возможно тектоническим напряжениям, на которые будут накладываться термические напряжения. Эффект изменения напряженного состояния будет зависеть от распределения отходов и компоновочной схемы могильника, мощности тепловыделения отходов и физических характеристик вмещающей породы.

Соляные формации. Повышение температуры вследствие размещения, например, высокоактивных отходов приводит расширению и ослаблению соляной породы в непосредственной близости от упаковок с отходами, индуцируя, таким образом, как напряжения и деформации в самой соляной породе, так и давление на упаковки с отходами.

Поведение соляных пород под воздействием термомеханических нагрузках формируется под влиянием неоднородностей в соли (например, слоев ангидрита). Полевые исследования реакции соляной породы в ответ на нагрев проводятся в нескольких странах. Так, например, в соляной шахте Lions (Project Salt Vault, США) для этих целей использовались как электрические нагреватели, так и отработавшее ядерное топливо. В соляной шахте Asse (Германия) проводилась серия тестов, при которых электрические нагреватели устанавливались в скважинах. Эти исследования показали, что в условиях повышенной температуры и пластичности в течение трех месяцев закрывались зазоры в 5 см в скважинах. Измеренное давление на скважину, вызванное нагревом в диапазоне от 190 до 310 ^оС, составляло 36 ± 5 МПа. Более интенсивные изменения, как результат теплового расширения и повышенной пластичности, наблюдались в галереях и камерах.

Кристаллические породы. Термомеханические эффекты на скальные породы, такие как граниты, исследовались в полевых условиях на ряде площадок. Шахта Stripa в Швеции использовалась для оценки и разработки методов измерения эффектов в ближней зоне наряду с другими параметрами, необходимыми для оценки площадок могильника. Аналогичные исследования проводились и проводятся в США, Великобритании, Франции, Аргентине и др. странах. В ряде исследований экспериментальные данные позволили подтвердить результаты теоретических исследований, использующих различные математические модели. Кратко рассмотрим некоторые результаты этих исследований.

При температуре свыше 100 ^оС фазовый переход вода – пар не оказывает существенного влияния на теплоперенос в гранитных породах. Наблюдались достаточно малые сдвиги, связанные с тепловым расширением породы (порядка одного или двух мм на расстоянии нескольких метров от источника тепла). Показано, что перемещения в трещиноватых гранитах, вызванные нагревом являются достаточно малыми, не линейными и пока еще не предсказуемы.

Напряжения и изменения напряжений в гранитных породах на глубине являются важными в проблеме экскавации выработок и в оценках их стабильности. Измерения, проведенные в шахте Stripa в вертикальных скважинах до глубины 400 м, показали, что вертикальные напряжения примерно равны статическому давлению покрывающих пород, но главные горизонтальные напряжения в несколько раз больше. Измерения подземных напряжений отражают эффекты экскавации старой шахты и экспериментальных штреков. В целом термомеханические эффекты, измеренные на этой шахте либо находились в согласии, либо были меньше тех, которые предсказывались современными теоретическими исследованиями. При этом не была установлена взаимосвязь между термомеханическими эффектами и гидравлической проводимостью. Эксперименты говорят о том, что трещины скорее закрываются, чем открываются. Однако это может зависеть от геометрии. Природа взаимосвязи между термомеханическими эффектами и гидрогеологии является важным фактором, на изучение которого направлены программы научно-исследовательских работ, которые планируется проводить в условиях подземных лабораторий.

В США были проведены исследования по определению степени нарушений во вмещающей породе вокруг подземной выработки. Хотя изменения в напряжениях и повреждений во вмещающей породе трудно поддавались измерениям, которые, тем не менее, позволили установить нарушенную зону в породе, расширяющуюся на толщину около одного метра от контура выработки с измененной проницаемостью.

Глинистые породы. Исследования термомеханического поведения глин в условиях могильника находятся в начальной стадии. Первые экспериментальные результаты показали, что повышение температуры от 10 до 80 ^оС не оказывает влияния на проницаемость.

При строительстве могильника в глинах может возникнуть некоторые горнотехнические проблемы, поскольку глины проявляют пластичность и могут потребовать соответствующего крепления в галереях.

Эксперименты непосредственно на площадке могильника для исследования поведения глубоких глин при температурном диапазоне от температуры окружающей среды до несколько выше 100 ^оС планируется проводить в Бельгии и Италии.

Туфы. Оценка термомеханической реакции туфа ограничена предварительными компьютерными расчетами, в которых использовались исходные данные, полученные в лабораторных условиях. Очень ограниченная информация была получена в американских исследованиях In Situ Tuff Water Migration / Heater Experiment. Расчеты для спекшегося туфа, выше и ниже уровня грунтовых вод, показывают, что деформации вокруг скважин или выработок с отходами, обусловленные экскавацией и тепловым воздействием, концентрировались в основном в результате перемещений вдоль уже существующих трещин. Ни один из расчетов не предсказал нового трещинообразования в нетронутой породе при любом времени жизни могильника. Кроме того, толщина породы вокруг выработок, при которой рассчитывались перемещения вдоль уже существующих трещин, составляла только несколько метров, т.е. в пределах способности крепления с помощью арматурной сетки и анкеров. Рассчитанные фактора безопасности для целиков были выше, изменяясь в диапазоне от 1,5 вблизи контура выработки до, в некоторых случаях, более чем 10 в середине целика.

В рассматриваемых исследованиях измерители давления, установленные на расстоянии примерно 1 м от нагревателя, зарегистрировал напряжения примерно на 60% ниже тех, которые предсказывались компьютерными моделями. Обследование поверхностей нагретого шпура не показали никакого дополнительного трещинообразования или отслоения в породе, которая нагревалась до температуры примерно 240 ^оС.

Проблема взаимодействия хранилища радиоактивных отходов