Хранение и захоронение отходов

Основная идея хранения РАО — радионуклиды должны находиться в форме, удобной для переработки их будущими поколениями. Поэтому они представляют собой ненарушенные сборки (например, отработанные ТВЭлы), либо находятся в легко перерабатываемой отверждённой форме. Основные проблемы здесь — предотвращение перегрева хранимых объектов из-за собственного излучения, а также разрушения из-за термодинамической нестабильности или коррозии со стороны внешних флюидов.

При хранении РАО должна быть обеспечена их изоляция, охрана и мониторинг окружающей среды, а также облегчены действия на последующих этапах. Если РАО содержат короткоживущие радионуклиды, то хранение осуществляют с целью их распада и последующего сброса в канализацию. ВАО хранят для уменьшения тепловыделения перед захоронением в геологических формациях. Часть жидких ВАО хранится в спецхранилищах — закрытых бетонных ёмкостях, углубленных в землю и облицованных нержавеющей сталью. Часть жидких ВАО сначала упаривают, а затем подвергают остеклованию, т. е. переводят в твёрдое состояние. Ёмкости с остеклованными отходами после остывания помещают в стальные пеналы, которые герметично заваривают и устанавливают во временное хранилище с регулируемым теплоотводом. Контролируемый теплоотвод необходим в течение не менее 20 лет перед окончательным захоронением РАО.

Захоронение состоит в том, что РАО помещаются в установку для захоронения без намерения их изъятия и без обеспечения долгосрочного.

наблюдения за хранилищем и технического обслуживания. Безопасность в основном достигается посредством концентрации и удержания, что предусматривает изоляцию концентрированных РАО отходов в могильнике.

Рис. 7. Схема захоронения ОЯТ и высокорадиоактивных РАО.

Согласно сложившейся практике НАО и САО с Гзо лет — в глубокое геологическое захоронение, тепловыделяющие ВАО с Т<30 лет либо хранят с вентиляцией или захоранивают. ОЯТ в разных странах либо перерабатывают, либо хранят, либо направляют в прямое глубокое геологическое захоронение.

В концепцию окончательного захоронения РАО заложены два принципа (рис. 7):

• — Связывание радиоэлементов в соответствующих матрицах и окружение их постоянными барьерами для удержания (контейнеры).
• — Контроль возможной утечки остаточной радиоактивности в окружающую среду. Это достигается путем тщательного выбора геологической вмещающей среды и благодаря надлежащим образом спроектированным установкам для захоронения. Барьеры захоронения предназначены для сведения к минимуму уровня радиоактивности, достигающего биосферы.

Основой комплексного подхода к локализации отходов является концепция создания многобарьерной системы их изоляции.

Включенные в матрицу отходы упаковывают в металлические контейнеры и помещают в скважины, пробуренные в геологической породе. Здесь матрица и геологическая формация являются основными компонентами системы. Дополнительными барьерами против загрязнения среды радионуклидами служат металлический контейнер (как правило, из нержавеющей стали) и его защитное покрытие из коррозионно-стойких материалов (стали, титановые или никелевые сплавы), а также материал засыпки или наполнителя, располагаемый между контейнером с отходами и основной породой хранилища. Материал засыпки, в качестве которой часто используют глину (например, бентонит), служит сорбирующей средой и способствует передаче тепла и нагрузки.

Компоненты многобарьерной системы должны обладать свойствами, обеспечивающими безопасное и надежное длительное хранение РАО, и быть увязанными между собой (рис. 8).

Рис. 8. Многобарьерная концепция глубинного захоронения.

Совместимости компонентов способствует подбор состава смеси засыпного и буферного материалов, необходимого для поддержания химических условий, обусловливающих скорость водного транспорта в системе. Сохранность многобарьериой системы изоляции рассчитана на юоо лет.

В ходе эксплуатации хранилища, непрерывно проводится радиометрический мониторинг с целью оценки безопасности приповерхностного захоронения твердых РАО. Анализ риска включает моделирование процессов распространения радионуклидов из хранилищ с расчётом делокализации радионуклидов из хранилища по следующим основным механизмам:

• — диффузия радионуклидов через защитные барьеры с естественной влагой;
• — диффузионно-конвективный перенос радионуклидов с потоками осадков (аварийная ситуация — частичное разрушение верхнего перекрытия);
• — свободное просачивание дождевых и талых вод через разрушенные верхний и нижний защитные экраны;
• — диффузионно-конвективный перенос через нижний защитный (в случае выхода из строя дренажной системы, поднятия грунтовых вод и подтопления хранилища).

В многобарьерной системе изоляции РАО при захоронении в глубокозалегающие слабопроницаемые горные породы важны инженерные барьеры. К инженерным барьерам относят упаковки РАО, материалы герметизирующей и гидроизолирующей засыпки, забивки и элементов конструкций хранилища. Удерживающая способность отдельных элементов барьерных материалов относительно радионуклидов после нарушения герметичности ушаковок в процессе постепенной деградации хранилища и возникновения контакта отверждённых отходов с подземными водами в определяется их сорбционной способностью. Поэтому, в рамах оценки экологического риска хранилища, в лабораторных условиях изучают сорбционные способности ряда компонентов возможных инженерных барьеров, в частности, продуктов коррозии стали, цемента, кварцевого песка, образцов каолиновых и монтмориллонитовых глин относительно радионуклидов >37Cs, 9o$r, ^'Am, ²3"Pu, ²^Np из водных растворов, насыщенных относительно твёрдой фазы. При этом добиваются, чтобы компоненты деградированных инженерных барьеров обладали достаточно значимой величиной удерживающей способности относительно радионуклидов.

Способ захоронения РАО в грунт отходов наиболее экономичен, но он может быть применен только для обезвреживания слабоактивных вод. Для решения вопроса о допустимости захоронения в грунт необходимо точно знать химический и радиохимический состав сбросных растворов; эффективность захвата радиоактивных изотопов слоем грунта, лежащим выше уровня грунтовых вод; прочность захвата, т. е. возможность выщелачивания изотопов природными водами или дополнительными сбросными растворами; уровень грунтовых вод. Метод основан на адсорбции радиоактивных изотопов грунтом, обычно представляющим собой чередующиеся слои песка, глины разных типов и суглинков.

Отходы, в которых содержатся радиоизотопы с коротким периодом полураспада и которые обладают радиоактивностью низкого и среднего уровней, нуждаются в изоляции от биосферы на ограниченный период времени. Защита от воздействия воды достигается системой физических барьеров и размещением на достаточной высоте над уровнем подземных вод. Защита от случайного вмешательства человека гарантируется надзором за площадкой, которая остаётся под правительственным контролем в течение соответствующего периода времени. Для изоляции отходов среднего и низкого уровней активности можно ограничиться приповерхностным захоронением. Отходы с уровнем активности ниже регламентируемых значений удаляют в окружающую среду без очистки.

В России в трёх местах продолжается закачка жидких РАО под землю: на производственных площадках Горно-химического комбината (г. Железногорск, полигон «Северный»), Томск-7 (Северск) и в районе Димитровграда на полигоне НИ И АР. Этому способствует тот факт, что большинство радиохимических заводов располагается на геологических формациях, удовлетворяющих требованиям изоляции РАО. Закачка жидких НАО и САО в глубоко залегающие геологические формации происходит под давлением на глубину в 260+450 м метров. Существуют так же полигоны глубинного захоронения (до 1500 м), а так же двухъярусные полигоны: на глубине 160+300 м для НАО и на глубине 400+500 м для САО и ВАО. В состав отходов (в виде азотнокислых ВАО и щёлочных САО), удаляемых в подземные хранилища полигона «Северный», входят радионуклиды 9°Sr, *37Cs, и4Се, ^lo6Ru, ²39Pu, 24iAm, ²3?Np и '^Th.

Рис. 9. Разрез полигона «Северный» по захоронению жидких РАО в пластыколлекторы на ГХК (Красноярский край).

САО и отработанные органические вещества, подаются на полигон глубинного удаления через станцию подготовки. При этом жидкие отходы закачиваются в несколько десятков скважин. В большинстве скважин после закачки отходов наблюдается значительное повышение температуры (до 160⁰), и для её снижения применяются специальные меры.

Некоторые полигоны представляют собой системы не только нагнетательных, но и разгрузочных скважин (закачка РАО сопровождается откачкой пластовых вод). Считается, что такое захоронение не представляет опасности для среды обитания в обозримом будущем (порядка юоо лет).

Обычно РАО представляют собой смесь различных веществ, часть которых радиоактивна. В каждом хранилище таких отходов идут собственные процессы, будь то подземный горизонт, поверхностный водоём или искусственная ёмкость или отдельная скважина. Наблюдения вокруг скважин показывают: время от времени то тут, то там, по мере закачки РАО под землю, поднимается температура в горных породах, причём на десятки градусов. Данные свидетельствуют о периодическом мощном разогревании недр под влиянием закачки РАО до 150⁰.

Весьма опасным является возможное сепарирование и концентрирование делящихся радионуклидов в компактных геологических структурах с образованием критической массы и, следовательно, возникновением самопроизвольной цепной реакции. Напомним, что критическая масса^Ри в виде растворенных в воде солей составляет 0,5 кг, а у некоторых трансурановых элементов она существенно ниже.

Требования к месту надежного на тысячелетия захоронения жидких РАО очень жёсткие: горные породы не должны быть трещиноватые, содержать воду и т. д. Найти такое место в стране достаточно трудно.

Рис. ю. Инженерные сорбирующие водопоглощающие и водоотводящие барьеры в разрезе курганного могильника низко-среднеактивных отходов.

Наиболее эффективным и безопасным решением проблемы РАО является их захоронение в могильниках на глубине не менее 300^-500 м в геологических формациях с соблюдением принципа многобарьерной защиты и обязательным переводом ЖРО в отверждённое состояние. Опыт проведения подземных ядерных испытаний доказал, что при определённом выборе геологических структур не происходит утечки радионуклидов из подземного пространства в окружающую среду'.

Оценки возможной опасности для биосферы Земли показали, что время полной изоляции ВАО, содержащих актиниды, должно приближаться к миллиону лет. Поэтому захоронение отходов сопряжено не только с преодолением технических трудностей долговременной изоляции ВАО в условиях непрерывного рассеяния тепла, генерируемого радиоактивным распадом, с учётом возможных климатических и геологических изменений, но и с социальной ответственностью перед будущими поколениями.

В подземных хранилищах захораниваются жидкие ВАО. Хранение производится как кислых, так и нейтрализованных сбросных растворов. В первом случае хранилища делаются из нержавеющей стали, во втором — из железобетона, футерованного изнутри малоуглеродистой сталью. РАО находятся в баках диаметром 25 м. Хранилище состоит из нескольких баков объёмом от 2000 до 5000 мз каждый. Предельно допустимыми концентрациями (ПДК) при сбросе растворов являются: для изотопов Ra²²⁶ и ²²⁸Ra — менее ю мкКи/мл, для изотопов 9°Sr, ¹²9J, ²¹°Pb, ²²3Ra и ²зфа — (i⁹)-io ⁶ мкКи/мл, ²з²ТЬ— 10−5 мкКи/мл.

Наиболее перспективным способом захоронения отходов является размещение их под землей в глубинах устойчивых геологических формаций, которые существуют достаточно стабильно на протяжении миллионов лет. Пригодными являются такие формации, как соляные залежи, безводный гипс, осадочные породы — сланцы и глины, кристаллические горные породы типа гранитов, вулканические породы.

В России отдают предпочтение участкам, сложенным водоупорными глинистыми породами, поскольку глина обладает высокой способностью сорбировать радионуклиды и рассеивать тепло, генерируемое при радиоактивном распаде внутри формы отходов. При поиске места захоронения ВАО проводят комплексное определение характеристик региона захоронения в отношении геологии, гидрогеологии, водосодержания и изоляции от подземных циркулирующих вод, определения пластичности, теплопроводности, сорбционной способности и ёмкости к радионуклидам вмещающей породы, пределов сохранения или изменения физико-химических ее свойств под действием тепловых нагрузок. К важным критериям относятся также сейсмичность района, возможные трассы утечек активности к поверхности, климатические изменения, характер взаимодействия окружающей породы с материалом контейнера и отходами, возможность разработок минеральных месторождений в отдалённом будущем. Проектирование и строительство хранилищ на выбранной площадке требует получения информации об оптимальной глубине хранилища, порядке, частоте и геометрии размещения контейнеров с отходами.

Рис. 11. Могильник РАО.

При создании хранилищ отверждённых РАО в геологических формациях необходимо создание условий максимальной локализации радионуклидов в пределах хранилища. С этой целью предусматривается многобарьерная защита биосферы от попадания радионуклидов.

При этом требуется получение радионуклидов в твёрдой форме, распределение их в прочной матрице, стеклообразной или керамической, заключение её в контейнер из нержавеющей стали, размещение в скважине, облицованной защитным материалом, окружение скважины специальными глинами и, наконец, замуровывание хранилища в устойчивые геологические формации. В хранилищах отверждённых отходов важным элементом защиты является инженерный барьер, который создаётся между отходами и стенками хранилища и призван удерживать радионуклиды при их делокализации из отверждённых РАО. Наиболее перспективным барьерным материалом считаются модифицированные бентонитные глины, сочетающие в себе гидроизолирующие и сорбционные свойства относительно долгоживущих продуктов деления: 9°Sr и wCs.

Чтобы гарантировать защиту' в течение периодов геологических масштабов времени, решением, направленным против вмешательства человека и риска попадания воды, является размещение долгоживущих отходов на глубине несколько сот метров в стабильной геологической формации. Определены различные типы предпочтительных геологических формаций, включая базальт, гранит, скальные породы типа порфитов, каменную соль, вулканический туф и глину. Геологические среды, где будут располагаться места захоронения ВАО, должны сохранять свои способности изолирования в течение тысяч лет, а также быть эффективными в отношении замедления попадания радионуклидов в атмосферу.

Естественные барьеры образуют последовательные слои защиты. При помещении контейнеров в скальную породу тепло от них высушит любую влагу, присутствующую в окружающей массе породы. Через 1000 лет установка для захоронения все еще будет препятствовать утечке радионуклидов. Если же часть радиоактивных веществ всё же растворится в грунтовых водах и начнет движение сквозь породу, поглощение в цеолитах или других адсорбционноактивных природных минералах будет задерживать движение радионуклидов.

Возможна утилизация тепла, выделяющегося при распаде радионуклидов, содержащихся в отверженных РАО. В США разработан проект, по которому предполагают получать пар низкого давления за счёт выделяющихся при хранении тепла отверждённых ВАО, причём в качестве исходного показателя принято, что тепловыделение отходов составляет 300 Вт/л. По предварительным оценкам экономически выгодно использовать тепло, выделяющееся при хранении контейнеров с отходами.

Сторонниками захоронения не только РАО, но и ОЯТ в настоящее время являются США, Швеция, Германия и Финляндия. Захоронение ОЯТ в геологические формации в принципе может решить проблему ОЯТ. Однако прямое захоронение ОЯТ в специальных контейнерах до сих пор не реализовано ни в одной стране мира. Попытки США использовать хранилище в г. Юкка Маунтин натолкнулись на жесткие требования к подземному хранилищу: заполнение выработки происходит в течение 23 лет, затем в течение 50 лет после заполнения выработка должна принудительно охлаждаться, стенка выработки до заполнения должна быть менее 96⁰ а после заполнения выработки ОЯТ температура стенки никогда не должна превышать 200°, чтобы избежать воздействия на породы. После заполнения одного хранилища необходимо строить следующее. Основная проблема использования хранилища в г. Юкка Маунтин связана с ограничениями на контейнеры с ОЯТ, температура которых достигает 350°, что может привести к минералогическим изменениям пород в подземных выработках.

Известно много предложений относительно способов избавления от РАО: перемещение их в долговременное наземное хранилище, в глубокие скважины (на глубине несколько км), плавление горной породы (предлагалось для отходов, выделяющих тепло), прямое закачивание, удаление в море, удаление под дно океана, удаление в зоны подвижек, удаление в ледниковые щиты, удаление в космос, уничтожение подземными ядерными взрывами и т. п., но ни одно из них до сих пор не реализовано.