С вмещающим породным массивом

Ближнее и дальнее поле подземного хранилища РАО. Тепловое и радиационное воздействие радиоактивных отходов. Характер изменения свойств пород в условиях воздействия техногенных нагрузок.

Как мы отмечали на одной из предыдущих лекций, в настоящее время существуют различные способы захоронения радиоактивных отходов. Принципиальное различие этих способов определяется функциональным назначением различных элементов мультибарьерной системы изоляции отходов, положенной в основу подземного захоронения РАО.

Последним и главным барьером, обеспечивающим экологическую безопасность подземного могильника, особенно могильника для высокоактивных отходов, является толща горных пород, отделяющая отходы от биосферы. В отличие от инженерных барьеров возможности целенаправленного воздействия на изолирующие свойства природного геологического массива ограничены. Поэтому при изучении геологических барьеров основная задача состоит в обосновании выбора участка для строительства подземного могильника. Решение этой задачи представляет сложную проблему, связанную с системным анализом всей совокупности условий, влияющих на миграцию радионуклидов в подземной геосфере.

Условия, влияющие на миграцию радионуклидов, принято подразделять на две группы, характеризующие «ближнее» и «дальнее» поле могильника. К ближнему полю относится вся совокупность инженерных барьеров и область породного массива, непосредственно прилегающая к могильнику, в пределах которой могут происходить значительные изменения свойств вмещающей горной породы в результате взаимодействия с системой могильника. Дальнее поле простирается от периферии ближнего поля до биосферы и представляет собственно геологический барьер на пути миграции радионуклидов.

В качестве потенциальных вмещающих пород рассматриваются разнообразные типы горных пород. В настоящее время в качестве наиболее приемлемых вмещающих горных пород рассматриваются соли (либо соляные купола, либо пластовые формации), кристаллические породы, глинистые породы, туфы. Потенциальные вмещающие породы различаются по многим свойствам, которые могут оказать значительное влияние на конструкцию и характеристики системы изоляции отходов. Каждая разновидность вмещающих пород располагает совокупностью положительных и отрицательных характеристик. Однако в проекте могильника должна быть предусмотрена возможность компенсировать потенциальные проблемы с помощью выбора соответствующей конструкции системы инженерных барьеров.

Кратко остановимся на описании основных характеристик потенциальных вмещающих пород.

Соляные породы. Так как вынос радионуклидов из могильника в биосферу может осуществляться главным образом с помощью подземных вод, значительное внимание специалистов привлекают породы, в которых содержание воды очень низкое, а ее движение отсутствует. К таким породам относятся соли. В качестве среды для захоронения отходов соли были рекомендованы в США еще в 1950-х годах.

Главным преимуществом солей является полное отсутствие в них движения подземных вод. В солях легко проводить горные работы, а на глубине несколько сотен метров подземные выработки сохраняют свою устойчивость в течение нескольких лет и даже десятилетий. Преимуществом является также высокая теплопроводность, в связи с чем, при прочих равных условиях температура в соляных могильниках тепловыделяющих отходов будет ниже, чем в хранилищах, расположенных в другой среде.

Недостатком солей является их относительно высокая текучесть, которая еще более возрастает в условиях воздействия повышенных температур. Хотя в целом соли, несомненно, являются благоприятной средой для захоронения РАО, выбор среди них соответствующих массивов, подходящих для строительства могильника, представляет нелегкую задачу. Опасность растворения солей под воздействием подземных вод и проникновения рассолов к упаковкам с отходами требует всестороннего учета воздействия на состояние соляных массивов проходки горных выработок, теплового воздействия и возможного развития неблагоприятных геологических событий. Наличие в солях глинистых прослоек, недостаточные размеры массивов ограничивают возможности использования солей в качестве среды для размещения могильника высокоактивных отходов (ВАО). Возникают также проблемы, связанные с отрицательным воздействием на окружающую среду соляных отвалов. Все это заставляет более сдержанно оценивать преимущества солей как среды для захоронения, например, ВАО, чем это представлялось на начальных этапах изучения проблемы.

Кристаллические породы. В зарубежной литературе этим термином охватывается широкий спектр пород, целиком состоящих из кристаллов. Сюда относятся все полнокристаллические породы (граниты, габбро, диориты, гранодиориты и др.), кристаллические сланцы и гнейсы. В отечественной литературе для обозначения этого типа пород используется также термин «скальные породы».

Достоинством кристаллических пород является их высокая прочность, устойчивость к воздействию умеренных температур, повышенная теплопроводность и низкое тепловое расширение. Горные выработки в кристаллических породах могут сохранять свою устойчивость в течение практически неограниченного времени. Подземные воды в кристаллических породах обычно имеют низкую концентрацию солей, слабощелочной восстановительный характер, что в целом отвечает условиям минимальной растворимости радионуклидов.

Матрицы кристаллических пород имеют низкую пористость, низкую гидравлическую проводимость и движение воды на практике имеет место только по трещинам и в зонах разломов в массиве пород. Поэтому когда такие породы имеют высокую степень различных структурных неоднородностей, они становятся непригодными для захоронения РАО.

Радионуклиды, мигрирующие с потоками подземных вод, могут сорбироваться на поверхностях раздела первичных и вторичных минералов. Они также могут быть сорбированы микрочастицами вторичных минералов. Радионуклиды также могут мигрировать в микропорах матрицы породы посредством диффузии, где они могут сорбироваться на внутренних поверхностях пор.

При выборе места в кристаллических массивах для размещения ВАО используются блоки с наиболее высокими прочностными характеристиками слагающих пород и низкой трещиноватостью. Поиск конкретных мест сводится к выбору приемлемого по размерам блока с минимальной водопроницаемостью. Накопленный в этом отношении опыт показал, что в природе действительно встречаются блоки кристаллических пород, лишенные крупных трещин и тектонических зон и характеризующиеся очень низкой водопроницаемостью. Однако найти и оконтурить такие блоки весьма трудно. Методика работ по их поиску сводится к картированию в пределах массива кристаллических пород разрывных нарушений, зон трещиноватости, а на перспективных участках – к изучению глубоких горизонтов с помощью сети скважин.

Глинистые формации. Эти формации являются наиболее распространенным типом осадочных пород. Они характеризуются большим разнообразием физико-химических свойств, что обусловлено различиями в минеральном составе, истории их затвердевания, химии жидкостей, заполняющих неоднородности, и многими другими факторами. Термин глинистые формации применяется к широкому диапазону формаций, включая глины, глиноземы, известковые глины, глинистые сланцы и др. Общим свойством всех глинистых пород является то, что они содержат большую долю глинистых минералов с низкой теплопроводностью.

Преимуществами глин являются низкая водопроницаемость и высокая сорбционная емкость[1] в отношении радионуклидов (т.е. высокая способность к удержанию радионуклидов). Недостатком является высокая стоимость проходки горных выработок в связи с необходимостью их крепления, а также пониженная теплопроводность. При температуре выше 100 ^оС начинается дегидратация (потеря воды) глинистых минералов с потерей сорбирующих свойств и пластичности, образованием трещин и другими отрицательными последствиями.

Туфы. Уплотненные отложения, состоящие из пепла и пыли, которые могут (но не обязательно) содержать до 50% осадочных частиц (например, пески или глины). Туфы относятся к числу благоприятных пород из-за относительно низкой водопроницаемости (наряду с высокой пористостью) и высокой способности к сорбции ионов водных растворов. Свойственная туфам цеолитизация[2] лишь повышает их сорбционные свойства.

Обширный материал по изоляционным свойствам туфов получен исследователями США, где в районе Юкка-Маунтин (штат Невада) планируется строительство могильника ВАО. Особенностью Юкка-Маунтин является очень низкий уровень грунтовых вод, находящийся на глубине 600 м от поверхности. Могильник будет расположен выше уровня грунтовых вод в практически безводных туфах. Данные условия практически исключают взаимодействия ВАО с водой, что позволяет избежать выноса радионуклидов подземными водами. Очевидно, что в отношении гидрогеологической обстановки и вмещающей среды, условия Юкка-Маунтин являются уникальными. Вместе с тем, существует вероятность проявления на этой территории магматической деятельности и землетрясений, что в определенной степени нивелирует указанные ранее достоинства площадки могильника.

Таким образом, потенциальные вмещающие пород имеют разнообразные характеристики, определяющие или оказывающие влияние на изоляционные свойства геологической среды. В тоже время на изоляционные свойства вмещающих пород могут оказывать влияние эффекты, которые обусловлены взаимодействием системы могильника РАО и геологической среды в ближнем поле. В качестве примера на рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая эффекты в ближнем поле при захоронении высокоактивных отходов в подземном могильнике, размещаемом в скальных породах.

Основными факторами воздействия отходов на геологическую среду являются повышенная температура и радиация. Оба этих фактора находятся в прямой зависимости от общей радиоактивности отходов. Результаты исследований показывают, что радиация в большинстве случаев не может оказать существенного влияния на изоляционные свойства геологической среды.

Рассмотрим некоторые основные эффекты в ближнем поле могильника РАО.