Геологические захоронения радиоактивных отходов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Глубинное (подземное) захоронение радиоактивных отходов (РАО) осуществляется в течение 30 лет. В глубокозалегающие пласты-коллекторы удалено около 46 млн. куб. м отходов, содержащих более половины радиоактивных нуклидов-продуктов деления урана, образовавшихся как отходы в атомной промышленности России.

Удаление отходов из среды непосредственной деятельности и проживания человека предотвратило отрицательное воздействие радиоактивности отходов на производственный персонал и население в районах 2 оборонных предприятий атомной промышленности и крупного исследовательского центра. Для тысяч людей была существенно снижена степень риска возникновения заболеваний и генетических дефектов, связанных с воздействием радиоактивности, уменьшена вероятность тяжелых аварий при обращении с отходами.

Подземные хранилища (полигоны захоронения) радиоактивных отходов были созданы в сравнительно короткие сроки на основе результатов комплексных исследований и разработок, в проведении которых принимали участие организации различных ведомств, в том числе Академии наук, Министерства геологии, Министерства здравоохранения и др.

Результаты наблюдений и исследований при эксплуатации полигонов захоронения подтвердили эффективность изоляции радиоактивных отходов в глубоких коллекторских горизонтах, правильность принципиальных решений по созданию хранилищ.

Вместе с тем глубинное захоронение радиоактивных отходов является сегодня одним из дебатируемых вопросов при обсуждении последствий деятельности оборонных предприятий атомной промышленности, в большинстве случаев получается недостаточно объективные и необоснованно негативные оценки со стороны ряда общественных экологических движений, органов массовой информации, законодательных структур, представителей правительственных учреждений. Следствием этого могут быть ошибочные решения по дальнейшей деятельности предприятий, эксплуатации и консервации полигонов, влекущие за собой экономические убытки России и регионов, необоснованные бюджетные затраты, ухудшение состояния окружающей среды.

Опыт создания и эксплуатации подземных хранилищ радиоактивных отходов может быть эффективно использован при глубинном захоронении нерадиоактивных промстоков различных отраслей промышленности, широко применяющемся в США и развивающимся в России.

В связи с тем, что проектные емкости пластов-коллекторов действующих хранилищ не исчерпаны, а дальнейшее удаление отходов весьма незначительно повлияет на уже сформированное состояние геологической среды в районах захоронения, действующие хранилища могут быть использованы для захоронения отходов и дезактивирующих растворов, образующихся на завершающих этапах эксплуатации конверсируемых производств, реабилитации территорий и ликвидации последствий деятельности оборонной промышленности.

1. Классификация радиоактивных отходов

Вторая половина ХХ века ознаменовалась резким обострением экологических проблем. Масштабы техногенной активности человечества в настоящее время уже сравнимы с геологическими процессами. К прежним типам загрязнений окружающей среды, получивших экстенсивное развитие, добавилась новая опасность радиоактивного заражения. Главным ее источником является отработанное топливо атомных электростанций. Наиболее развитые страны непрерывно увеличивают долю энергии, производимую ядерными электростанциями: Франция - более 60%, Германия - 40%, Англия - 65%, Япония - около 60%, США - 30% и т.д. Ископаемое углеродное топливо имеет тенденцию к полному исчерпанию. Все нетрадиционные источники энергии (ветер, солнце, приливы, тепло Земли) не конкурентоспособны из-за экономической нерентабельности и малых ресурсов. Только ядерная энергия может служить цивилизации практически неограниченное время. Отстают в ее использовании те страны, где много источников гидроэнергии (Канада, Норвегия, Швеция, Россия) но и они наращивают мощности АЭС.

Источниками энергии в ядерных реакторах служат реакции деления. Ядра урана-235, поглощая нейтроны, становятся неустойчивыми и распадаются с образованием осколочных ядер элементов двух групп: от германия до иода (NN 32-53) и от цезия до европия (NN 55-63). При этом выделяется большее число нейтронов, чем поглощается, так что при наличии критической массы ²³⁵U реакция деления может стать саморазвивающейся. Однако, все ядерные реакторы сконструированы так, что этот процесс совершенно исключен, а все взрывы ядерных реакторов являются тепловыми, подобными взрывам паровых котлов. Масса продуктов реакции деления меньше, чем распавшихся ядер ²³⁵U и поглощенных нейтронов. За счет «дефекта массы» и выделяется энергия: E=mc². В результате реакции деления образуются высокоактивные изотопы (осколки деления), которые и представляют опасность из-за своей активности. Одновременно идут реакции нейтронного захвата: ядра урана-238, захватывая нейтроны, образуют ядра трансурановых элементов - нептуния, плутония, америция, кюрия. Именно этот процесс используют для наработки плутония с последующим применением последнего в атомных боеприпасах.

В ядерных реакторах топливо (обогащенный природный уран) в виде таблеток UO₂ помещается в трубки из циркониевой стали (тепловыделяющий элемент - ТВЭЛ). Эти трубки располагаются в активной зоне реактора, между ними помещаются блоки замедлителя (графита), регулирующие стрежни (кадмиевые) и трубки охлаждения, по которым циркулирует теплоноситель - чаще всего, вода. При работе реактора образуются осколочные элементы в том числе и так называемые нейтронные яды - элементы, очень сильно поглощающие нейтроны, вследствие чего реакция деления самопроизвольно прекращается. Одна загрузка ТВЭЛ'ов работает примерно 1-2 года. Загрузка большого энергетического реактора составляет примерно 100 т ядерного топлива c 5% урана-235). За 1 год вырабатывается 10% (0.5 т) делящегося вещества и производится примерно 0.5 т осколочных элементов (для сравнения: при взрыве атомной бомбы - всего несколько кг). Таким образом, при разгерметизации активной зоны реактора выброс радиоактивных веществ на 2 порядка больше, чем при взрыве бомбы. В масштабах страны ежегодно только на энергетических реакторах АЭС вырабатывается 100 т осколочных элементов.

Обычно ТВЭЛ'ы в реакторах объединены в единые конструкции - тепловыделяющие сборки, загружаемые в ядерный реактор. Перед процессом переработки сборки, отработавшие свой ресурс, аккуратно извлекают и выдерживают в воде в специальных бассейнах-отстойниках для снижения активности за счет распада короткоживущих изотопов. За три года активность снижается примерно на 3 порядка. Тем не менее, они все еще очень опасны. Дальше ТВЭЛ'ы отправляют на так называемые радиохимические заводы, где их измельчают (режут) механическими ножницами и растворяют в горячей 6-нормальной азотной кислоте. Образуется 10% раствор жидких высокоактивных отходов. Таких отходов производится порядка 1000 т в год по всей России.

Радиоактивные отходы - это смесь активных и стабильных изотопов элементов, которые принято подразделять на осколочные, трансурановые, конструкционные и технологические. Осколочные элементы с номерами 35-47; 55-65 являются продуктами деления ядерного топлива. Трансурановые элементы образуются по реакции нейтронного захвата. В растворы переходят и вещество конструкционных материалов (нержавеющих сталей, циркониевых оболочек ТВЭЛ'ов и т.п.), а также технологические элементы (соли щелочных металлов и др.).

Как правило, степень «выгорания» ядерного топлива за одну кампанию не превышает 10%. Основная масса его отходов обычно представлена оксидами урана-235 и урана-238, оба эти изотопа и наработанный плутоний извлекаются при радиохимической переработке и могут быть использованы для изготовления новых топливных элементов.

Основными и наиболее опасными для биосферы элементами радиоактивных отходов являются Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, I, Cs, Ba, La….Dy и трансурановые элементы: Np, Pu, Am и Cm. Растворы радиоактивных отходов высокой удельной активности по составу представляют собой смеси азотнокислых солей с концентрацией азотной кислоты до 2,8 моль / литр, в них присутствуют добавки HF (до 0,06 моль / литр) и H₂SO₄ (до 0.1 моль / литр). Общее содержание солей конструкционных элементов и радионуклидов в растворах составляет приблизительно 10% массы.

2. Развитие технологий обращения с радиоактивными отходами

Сравнение составов радиоактивных отходов и пород земной коры показывает плохую корреляцию. Нереально найти геохимически совместимый с радиоактивными отходами тип горной породы. Решение проблемы значительно облегчает существование методов разделения смеси жидких радиоактивных отходов, разработанных в Радиевом институте и реализуемых в настоящее время на ПО Маяк. Они позволяют выделять из смеси элементов радиоактивных отходов отдельные группы, близкие по своим геохимическим характеристикам, а именно:

· щелочные и щелочноземельные элементы;

· галогениды;

· редкоземельные элементы;

· актиниды.

Для этих групп элементов можно попытаться найти породы и минералы, перспективные для их связывания.

Природные химические (и, даже, ядерные!) реакторы, производящие токсичные вещества, - не новость в геологической истории Земли. Тем не менее около 3 млрд. лет назад на планете зародилась, успешно сосуществует рядом с очень опасными веществами и развивается жизнь.

Рассмотрим основные пути саморегуляции природы с точки зрения их использования в качестве методов обезвреживания отходов техногенной деятельности человечества. Намечаются четыре таких принципа.

а) Изоляция - вредные вещества концентрируются в контейнерах и защищаются специальными барьерными веществами. Природным аналогом контейнеров могут служить слои водоупоров. Однако, это - не слишком надежный способ обезвреживания отходов: при хранении в изолированном объеме опасные вещества сохраняют свои свойства и при нарушении защитного слоя могут вырываться в биосферу, убивая все живое. В природе разрыв таких слоев приводит к выбросам ядовитых газов (вулканическая активность, сопровождающаяся взрывами и выбросами газов, раскаленного пепла, выбросы сероводорода при бурении скважин на газ - конденсат). При хранении опасных веществ в специальных хранилищах также иногда происходит нарушение изолирующих оболочек с катастрофическими последствиями. Печальный пример из техногенной деятельности человека - челябинский выброс радиоактивных отходов в 1957 году из-за разрушения контейнеров - хранилищ. Изоляция применяется для временного хранения радиоактивных отходов; в будущем необходимо реализовать принцип многобарьерной защиты при их захоронении, одним из составных элементов этой защиты будет слой изоляции.

б) Рассеяние - разбавление вредных веществ до уровня, безопасного для биосферы. В природе действует закон всеобщего рассеяния элементов В.И. Вернадского. Как правило, чем меньше кларк, тем опаснее для жизни элемент или его соединения (рений, свинец, кадмий). Чем больше кларк элемента, тем он безопаснее - биосфера к нему «привыкла». Принцип рассеяния широко используется при сбросе техногенных вредных веществ в реки, озера, моря и океаны, а также в атмосферу - через дымовые трубы. Рассеяние использовать можно, но видимо, только для тех соединений, время жизни которых в природных условиях невелико, и которые не смогут дать вредных продуктов распада. Кроме того, их не должно быть много. Так, например, СО2 - вообще говоря, не вредное, а иногда даже полезное соединение. Однако, возрастание концентрации углекислоты во всей атмосфере ведет к парниковому эффекту и тепловому загрязнению. Особенно страшную опасность могут представлять вещества (например, плутоний), получаемые искусственно в больших количествах. Рассеяние до сих пор применяется для удаления отходов малой активности и, исходя из экономической целесообразности, будет еще долго оставаться одним из методов для их обезвреживания. Однако в целом в настоящее время возможности рассеивания в основном исчерпаны и надо искать другие принципы.

в) Существование вредных веществ в природе в химически устойчивых формах. Минералы в земной коре сохраняются сотни миллионов лет. Распространенные акцессорные минералы (циркон, сфен и другие титано - и цирконосиликаты, апатит, монацит и другие фосфаты и т.д.) обладают большой изоморфной емкостью по отношению к многим тяжелым и радиоактивным элементам и устойчивы практически во всем интервале условий петрогенезиса. Имеются данные о том, что цирконы из россыпей, испытавшие вместе с вмещающей породой процессы высокотемпературного метаморфизма и даже гранитообразования, сохраняли свой первичный состав.

г) Минералы, в кристаллических решетках которых находятся подлежащие обезвреживанию элементы, в природных условиях находятся в равновесии с окружающей средой. Реконструкция условий древних процессов, метаморфизма и магматизма, имевших место много миллионов лет назад, возможна благодаря тому, что в кристаллических горных породах на протяжении длительного по геологическим масштабам времени сохраняются особенности состава образовавшихся при этих условиях и находившихся между собой в термодинамическом равновесии минералов.

Описанные выше принципы (особенно последние два) находят применение при обезвреживании радиоактивных отходов.

Существующие разработки МАГАТЭ рекомендуют захоронение отвержденных радиоактивных отходов в стабильных блоках земной коры. Матрицы должны минимально взаимодействовать с вмещающей породой и не растворяться в поровых и трещинных растворах. Требования, которым должны удовлетворять матричные материалы для связывания осколочных радионуклидов и малых актинидов, можно сформулировать следующим образом.

· Способность матрицы связывать и удерживать в виде твердых растворов возможно большее число радионуклидов и продуктов их распада в течение длительного (по геологическим масштабам) времени.

· Быть устойчивым материалом по отношению к процессам физико-химического выветривания в условиях захоронения (длительного хранения).

· Обладать термической устойчивостью при высоких содержаниях радионуклидов.

· Обладать комплексом физико-механических свойств, которые необходимо иметь любому матричному материалу для обеспечения процессов транспортировки, захоронения и пр.:

o механической прочностью,

o высокой теплопроводностью,

o малыми коэффициентами теплового расширения,

o устойчивостью к радиационным повреждениям.

· Иметь простую технологическую схему производства

· Производиться из исходного сырья, сравнительно низкой стоимости.

Современные матричные материалы подразделяются по своему фазовому состоянию на стеклообразные (боросиликатные и алюмофосфатные стекла) и кристаллические - как полиминеральные (синроки) так и мономинеральные (цирконий-фосфаты, титанаты, цирконаты, алюмосиликаты и т.п.).

Традиционно для иммобилизации радионуклидов применяли стекольные матрицы (боросиликатные и алюмофосфатные по составу). Эти стекла по своим свойствам близки к алюмосиликатным, только в первом случае алюминий заменен бором, а во втором - кремний фосфором. Эти замены вызваны необходимостью снижения температуры плавления расплавов и уменьшения энергоемкости технологии. В стекольных матрицах достаточно надежно удерживается 10-13 мас.% элементов радиоактивных отходов. В конце 70-х годов были разработаны первые кристаллические матричные материалы - синтетические горные породы (синрок). Эти материалы состоят из смеси минералов - твердых растворов на основе титанатов и цирконатов и гораздо более устойчивы к процессам выщелачивания, чем стекольные матрицы. Заметим, что наилучшие матричные материалы - синроки - были предложены петрологами (Рингвуд и др.).

Способы остекловывания радиоактивных отходов, используемые в странах с развитой ядерной энергетикой (США, Франция, Германия), не отвечают требованиям их длительного безопасного хранения в связи со спецификой стекла как метастабильной фазы. Как показали исследования, даже наиболее устойчивые к процессам физико-химического выветривания алюмофосфатные стекла, оказываются малостабильными при условиях захоронения в земной коре. Что же касается боросиликатных стекол, то согласно экспериментальным исследованиям, в гидротермальных условиях при 350оС и 1 кбар они полностью кристаллизуются с выносом элементов радиоактивных отходов в раствор. Тем не менее, стеклование радиоактивных отходов с последующим хранением стекольных матриц в специальных хранилищах является пока единственным методом промышленного обезвреживания радионуклидов.

Усилия петрологов и геохимиков - экспериментаторов сосредоточены на проблемах, связанных с поиском новых модификаций кристаллических матричных материалов, более пригодных для захоронения радиоактивных отходов в породах земной коры.

3. Обоснование глубинного захоронения радиоактивных отходов

Общепризнанным методом захоронения радиоактивных отходов среди технических экспертов считается локализация отходов и их изоляция от окружающей среды, доступной для человека. Наилучшей изоляции тех видов отходов, о которых идет речь в настоящем отчете, позволяет добиться размещения отходов на значительной глубине под землей - так называемое «геологическое захоронение». Локализация и изоляция отходов обеспечивается контейнерами, в которых отходы размещаются перед тем, как поступить на захоронение, а также различными дополнительными техническими барьерами и природными свойствами пород, в которых сооружаются захоронения. Суть захоронения заключается в том, что защиту от них людей и окружающей среды обеспечивает пассивная система, состоящая из технических и природных барьеров.

Геологическое захоронение можно осуществлять в ряде геологических образований; при этом наиболее часто рассматриваемыми породами являются глина, соль и твердые магматические, метаморфические и вулканические породы, например, гранит, гнейс, базальт или туф. Глубина захоронения утилизируемых отходов зависит от типа используемого в этих целях образований и изоляционной способности образований, расположенных над ним. Например, подходящие глиняные образования, как правило, расположены слоями толщиной несколько сот метров на глубине нескольких сот метров. Солевые залежи встречаются на такой же или большей глубине и имеют форму напластованных слоев или соляных куполов. Обычная глубина, на которой располагаются захоронения в твердых породах, составляет от 500 до 1000 метров, и цель здесь состоит в использовании тех участков горной системы, где имеется наименьшее количество крупных зон трещиноватости или разломов.

Определяющей характеристикой захоронения, в отличие от хранения, является отсутствие намерения извлекать отходы и минимальная степень использования активных средств долговременного контроля. Другими словами, отходы размещаются на постоянное хранение. В конечном итоге, место захоронения закрывается и опечатывается, а на поверхности может иметься, а может, и отсутствовать указание на существование такого объекта на значительной глубине. В большинстве пород захоронение можно соорудить таким образом, что закрыть его можно будет позднее, через несколько десятков, а то и сотен лет. В течение этого периода при желании можно вести мониторинг места захоронения и прилегающих пород, а захоронение можно соорудить так, чтобы при необходимости захороненный материал можно было извлечь.

4. Факторы, влияющие на безопасность и соответствие хранилищ интересам устойчивого развития

После конференции Организации Объединенных наций по окружающей среде и развитию, проходившей в 1992 году в Рио-де-Жанейро, устойчивое развитие стало одним из идеалов, на который ориентируется мировая политическая система. Устойчивым считается «развитие, которое соответствует потребностям настоящего времени, не лишая будущие поколения возможности удовлетворять свои потребности». Независимо от типа развития самой сложной задачей является поддержание устойчивого равновесия между «тремя столпами» - конкурирующими друг с другом экологическими, социальными и экономическими интересами. МАГАТЭ было поручено определить, соответствует ли долговременное хранение интересам устойчивого развития, уделяя особое внимание влиянию длительного хранения на безопасность по сравнению с захоронением. Таким образом, ниже будет проведено сравнение долговременного хранения и геологического захоронения с точки зрения устойчивого развития и безопасности.

Хранение является важным элементом безопасного обращения с радиоактивными отходами, и необходимость в нем может возникнуть на различных стадиях обращения с отходами. Отработанное топливо и ряд других видов отходов необходимо хранить в течение определенного периода времени для того, чтобы произошел радиоактивный распад, что позволяет снизить уровень радиации и тепловыделения. Для некоторых видов отходов оно является промежуточным шагом общего процесса обращения с ними и продолжается в течение сравнительно непродолжительного периода времени.

Ряд сторон, которые рассмотрели возможность организации долгосрочного хранения, выражают озабоченность необходимостью очень длительного хранения в течение периода, более продолжительного, чем несколько десятилетий. Их озабоченность возрастает, если становится очевидным тот факт, что стадия хранения может затянуться фактически навечно. Стороны, выражающие такую точку зрения, как правило, обеспокоены тем, что промедление с принятием решения о захоронении без определенных планов относительно времени захоронения ведет к принятию неопределенных административных и финансовых обязательств. Тем не менее, мнения разнятся, поскольку некоторые группы населения отдали серьезное предпочтение дальнейшему хранению радиоактивных отходов на поверхности под постоянным наблюдением.

Безопасность

То, что хранение радиоактивных отходов является безопасным, и что на него можно положиться для обеспечения их безопасности до тех пор, пока ведется активное наблюдение и осуществляется техническое обслуживание, было продемонстрировано в течение десятилетий. В противоположность хранению геологическое захоронение обещает сделать возможным обеспечение безопасности в течение продолжительного времени без наблюдения и технического обслуживания.

Возможность безопасного хранения радиоактивных отходов в течение нескольких десятилетий была наглядно продемонстрирована работой существующих хранилищ. У некоторых методов хранения, использовавшихся раньше, были обнаружены недостатки, которые были устранены при создании новых хранилищ. Возможность решения любых проблем, которые могут возникнуть, можно считать преимуществом наземного хранения.

При хранении отходов в контейнерах неизбежно некоторое конструкционное разрушение контейнеров и их содержимого. Со временем такое разрушение потребует перевода отходов если не на длительное хранение, то в другое хранилище. Чем дольше отходы хранятся перед переводом в другое хранилище, тем выше вероятность того, что произойдет такое разрушение, что повлечет за собой угрозу возможного радиационного облучения персонала, которому, в конце концов, придется осуществлять перевод и работать с такими отходами. С этой точки зрения длительное хранение не очень хорошо отвечает требованиям долговременной безопасности. Более того, если хранилища отходов не находятся под пристальным наблюдением, они уязвимы к случайному или преднамеренному проникновению человека. Это налагает обязательства на будущие поколения по ведению активного контроля над хранилищами ядерных отходов.

Геологическое захоронение обещает обеспечить герметичность и изолированность радиоактивных отходов от человеческого окружения в течение очень длительного времени. Как уже было сказано, конструкция геологических хранилищ предусматривает обеспечение такой изоляции без необходимости активного контроля, то есть они пассивно безопасны. Угроза безопасности из-за возможного проникновения человека в хранилище значительно снижается по сравнению с наземным хранением, в основном благодаря большой глубине, на которой будут находиться такие геологические захоронения. Тем не менее, хотя многие специалисты и убеждены в том, что геологическое захоронение является лучшим решением для обращения с высокоактивными отходами, опыт эксплуатации таких хранилищ отсутствует.

Техническое обслуживание

Техническое обслуживание легче проводить на земле, чем под землей. Однако обеспечить организационный контроль на весь период, пока ядерные отходы остаются опасными, будет нельзя.

Для обеспечения сохранности все, что было создано человеком, требует технического обслуживания. Следовательно, если сохранность конструкции важна для охраны здоровья и обеспечения безопасности людей и окружающей среды, то для того, чтобы избежать постепенного ухудшения защиты, обеспечиваемой такой конструкцией, необходимо будет проводить текущее техническое обслуживание. Проведение текущего технического обслуживания потребует постоянного наличия управлений и организаций, которые могли бы обеспечить выполнение необходимого технического обслуживания. Иногда период, в течение которого на такие организации можно положиться, называется периодом организационного контроля.

Техническое обслуживание требует как выявления дефектов, так и их исправления. Ремонтировать какое-либо устройство проще, если оно доступно и находится на земле, а не под землей; дефекты на стадии их образования также проще выявлять в конструкцию, которая находится на поверхности. Поэтому эффективному техническому обслуживанию способствует размещение конструкций на поверхности. С другой стороны, системы для геологического захоронения задуманы так, что никакая неисправность защитного барьера не сможет повлиять на здоровье людей и состояние окружающей среды из-за наличия других независимых искусственных или естественных барьеров. В техническом обслуживании, следовательно, необходимости не возникнет.

Поскольку надлежащую защиту людей и окружающей среды можно будет обеспечить лишь до тех пор, пока в хранилищах будет вестись техническое обслуживание, и поскольку некоторые из радиоактивных материалов, находящихся на хранении, будут оставаться опасными в течение многих тысячелетий, техническое обслуживание (или организационный контроль) необходимо будет осуществлять на протяжении всего этого времени или до тех пор, пока не будет реализована концепция захоронения. Анализ мировой истории показывает, что перестройки и перевороты случаются, как правило, через значительно менее короткие промежутки времени, и что поэтому вряд ли существующие или ожидаемые социальные инфраструктуры смогут сохраниться в течение столь длительного периода времени.

Извлечение

Извлекать материал проще из помещений, которые находятся на поверхности, чем из-под земли, но геологическое захоронение можно создавать в несколько этапов, так что возможность извлечения будет сохраняться в течение длительного времени.

Преимуществом наземного хранения является простота извлечения материала в случае принятия решения о его необходимости. Наличие возможности извлекать ядерные отходы предоставляет будущим поколениям свободу выбора в принятии различных решений, связанных с радиоактивными отходами. Например, будущие поколения могут предпочесть утилизацию отходов путем переработки.

Однако недавние исследования показали, что создавать захоронения можно постепенно, шаг за шагом, сохраняя возможность обратить процесс в случае необходимости и отказаться от решений, принятых на предыдущих этапах. Это позволит отменить решения, которые придется принять раньше, чем будет необходимо, или некоторые решения, которые со временем придется изменить, что предоставит будущим поколениям большую степень свободы по сравнению с более ранними концепциями захоронения. Например, решение закрыть захоронение можно принять позже. Кроме того, захоронение может быть построено, а его работа может быть организована так, что при необходимости в дальнейшем захороненные отходы можно будет извлекать. Важным достижением в этой области является то, что уже сегодня имеются методы контроля, которые можно использовать в течение продолжительного времени, не нарушая целостности захоронения.

Возможность извлечения можно реализовать как при размещении отходов в хранилище, так и при геологическом захоронении. Тем не менее, возможность извлечения является альтернативой лишь до тех пор, пока существует организационный контроль и необходимый технический опыт, и там, где была организована соответствующая система обращения с ядерными отходами. Если все эти элементы существуют, то возможность извлечения будет реальной как при хранении, так и при захоронении.

Защищенность

Размещение опасных материалов под землей повышает безопасность (защищенность) этих материалов.

В течение нескольких последних десятилетий безопасность ядерных материалов являлась объектом растущей обеспокоенности. Случаи незаконной торговли и события 11 сентября 2001 года в США выдвинули эту проблему на передний план. Угроза безопасности состоит либо в несанкционированном владении, хищении материала для незаконного использования в дальнейшем или в совершении диверсий для создания на предприятии аварийной ситуации, например, путем выброса материала в окружающую среду.

Хотя ядерные материалы традиционно были объектом мер обеспечения безопасности для предотвращения несанкционированного владения ими, сейчас получил признание и тот факт, что нерасщепляющиеся материалы также нуждаются в защите из-за возможной угрозы преднамеренного осуществления радиационного загрязнения террористами. Естественно, захватить такие материалы проще в том случае, когда они находятся на поверхности. В геологическом захоронении до них смогут добраться не все, а только самые решительные и оснащенные самыми современными средствами злоумышленники.

Многие из существующих хранилищ расположены там же, где находятся другие действующие ядерные предприятия, так что на них распространяются меры обеспечения безопасности, действующие на всем предприятии. Если наземное хранение должно продолжаться дольше эксплуатационного срока службы действующего предприятия, то придется предпринимать специальные меры обеспечения сохранности.

Затраты

Захоронение требует значительных капитальных затрат, а хранение - значительных эксплуатационных расходов.

В контексте хранения и захоронения устойчивое развитие требует, чтобы расходы на текущее и долговременное управление хранилищами и захоронениями покрывались за счет внутренних ресурсов (были интернализированными); интернализированные расходы - это расходы, которые несут непосредственно те, кто получает прибыль. Комиссия по устойчивому развитию Организации Объединенных наций призвала правительства интернализировать расходы на обращение с радиоактивными отходами до максимально возможного уровня. Чтобы обеспечить соответствие длительного хранения требованиям устойчивого развития, для дальнейшего содержания существующих хранилищ и последующие мероприятия по обращению с отходами, например, выделение, переработку или захоронение, необходимо предоставить достаточные финансовые средства. Оценка долгосрочного финансирования проводится методами расчета будущих расходов по затратам, которые очень чувствительны к будущим темпам инфляции и процентным ставкам, не говоря об организационной стабильности. Долгосрочные процентные ставки и темпы инфляции нельзя предсказать точно; соответственно, планирование расходов на мероприятия, которые будут проводиться позже, чем через одно поколение (около 30 лет), будет подразумевать значительную неточность. Следовательно, любая оценка финансовых средств, необходимых для обеспечения длительного хранения, будет очень неопределенной. Хотя текущее хранение требует постоянного вложения ресурсов для обеспечения безопасности и сохранности, годовые потребности в ресурсах намного меньше тех сумм, которые необходимо будет потратить за ограниченный период разработки, строительства и эксплуатации захоронения.

Очень высокие капитальные затраты, связанные с захоронением, являются веским аргументом, особенно учитывая то, что от начала работ над созданием геологического захоронения и размещением в нем ядерных отходов проходит очень много времени (порядка 20 лет и более). Многие органы власти предприняли меры, чтобы потребовать от электростанций, занимающихся производством ядерной энергии, выделения средств на постоянной основе для покрытия будущих расходов по захоронению их отходов (таким образом, расходы были интернализированы).

Передача информации

Длительное хранение радиоактивных отходов требует передачи информации будущим поколениям.

Деятельность, необходимая для обеспечения безопасности длительного хранения радиоактивных отходов, например, меры по обеспечению сохранности, контроль и инспекции со стороны распорядительных органов, требуют хранения большого количества информации. Наверняка, такие предприятия потребуют технического обслуживания, а контейнеры с ядерными отходами, в конце концов, необходимо будет переводить в другое место; поэтому необходимая информация будет относиться к инвентаризации ядерных отходов, их характеристикам и месту размещения, технологии предварительной обработки и упаковки, а также конструкции хранилища. Всю эту информацию необходимо хранить на протяжении всего срока существования хранилища.

Эту информацию нужно не просто хранить; она должна быть удобочитаемой и понятной для последующих поколений. Это может стать серьезной проблемой. Обычные бумажные системы со временем подвергаются физическому разложению различного характера, такому как постепенный распад из-за плохого качества бумаги или чернил, разложение органического материала, пожар, затопление, поражение грибками, повреждение насекомыми или грызунами и т.д. Системы на основе современных технологий (например, автоматизированные системы хранения данных) более устойчивы к воздействию этих факторов, но у них есть свои недостатки. Например, они требуют постоянного обновления и поддержки, что позволяет обеспечить соответствие носителей данных технологическим новшеством; по мере появления новых систем программное обеспечение может быстро становиться нечитаемым. Существует также возможность того, что будущие поколения не будут знать того, что нужно для понимания записей, даже если такие записи хорошо сохранятся.

В идеальном случае в распоряжении будущих поколений о захоронениях ядерных отходов будет иметься такая же информация, как о хранилищах. Но если информация, передаваемая будущим поколениям, окажется неполной, то в случае захоронения последствия этого не должны представлять собой серьезной проблемы с точки зрения безопасности, поскольку конструкция захоронения не предусматривает активной деятельности человека для обеспечения безопасности. Поэтому, с точки зрения передачи информации, долговременную безопасность легче обеспечить, по возможности, размещая ядерные отходы в захоронениях.

В случае ядерных материалов нужно соблюдать меры безопасности, которые позволят обеспечить преемственность в передаче информации о том, чтобы материал не был использован ненадлежащим образом. Государства, подписавшие Договор о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО), обязаны предоставлять гарантии того, что ядерные материалы, находящиеся на их территории, не используются в незаявленных или немирных целях. МАГАТЭ, исполняя роль гаранта, отвечает за обеспечение независимого международного контроля над соблюдением правительствами своих обязательств по ДНЯО. Система гарантий применительно к наземным хранилищам проработана хорошо. На этапе эксплуатации соблюдение гарантий применительно к геологическим захоронениям потребует проведения дополнительных мероприятий и выполнения дополнительных работ, которые не нужны в случае наземного хранения. Гарантии безопасности ядерных материалов в захоронении должны сохранять свою силу даже после того, как захоронение будет закрыто. Тем не менее, ожидается, что на стадии после закрытия геологических захоронений обеспечить выполнение гарантий безопасности будет несложно.

5. Геологические условия и результаты эксплуатации систем захоронения радиоактивных отходов

Существующие системы (полигоны) захоронения РАО России являются уникальными объектами как по количествам удаленных радиоактивных веществ в составе отходов, как и значимости решаемых задач по защите людей от радиоактивных излучений, масштабам воздействия на геологическую среду.

Практический опыт создания эксплуатации полигонов глубинного захоронения жидких РАО и результаты выполненных исследований и наблюдений могут быть использованы для уточнения и корректировки ряда теоретических построений и моделей, разработанных для решения задач охраны окружающей среды, прогнозирования загрязнения подземных вод, захоронения токсичных отходов. Несмотря на совершенство теоретических проработок, для многих из них характерен один общий недостаток-отсутствие или очень ограниченная их практическая проверка.

Полигоны захоронения РАО Сибирского химического комбината

Геологическое строение района СХК позволяет осуществлять глубинное захоронение жидких РАО. В качестве основных доводов в пользу этого вывода могут быть названы:

- в разрезе имеются пластообразпо-залегающие песчаные пористые породы (пласты-коллекторы), обладающие достаточными ёмкостными и фильтрационными свойствами для нагнетания в них растворов в заданных объемах в при давлениях ниже гидроразрыва пласта;

- пласты-коллекторы подстилаются и перекрываются слабо проницаемыми глинистыми породами, обладающими водоупорными свойствами и распространенными практически повсеместно в пределах области возможного влияния захоронения;

- имеются убедительные доказательства разобщения горизонтом верхнего водоносного комплекта, находящегося под воздействием водозаборов, и нижнего водоносного комплекса, используемого для захоронения отходов;

- скорости естественного движения подземных вод характеризуются значениями 3-5 м/год, что гарантирует локализацию отходов в течение длительного периода времени в пределах территории СХК, санитарно-защитных зон и горного отвода недр;

- коллекторские горизонты характеризуются в целом фильтрационной однородностью в разрезе и в плане, благодаря чему нет оснований ожидать большой неравномерности заполнения пластов-коллекторов отходами, образования «языков», интервалов максимальной фильтрации, существенно влияющих на площадное распределение отходов;

- в районе СХК не выявлены тектонические структуры, которые могли бы обусловить вертикальную взаимосвязь горизонтов, аномальную миграцию отходов;

- воды пластов-коллекторов характеризуются малым солесодержанием, что наряду с наличием в составе пород глинистых минералов обуславливает задержку миграции нуклидов - компонентов отходов в результате физико-химических процессов;

- геологическое строение района СХК и гидрогеологические условия изучены при проведении специальных геолого-разведочных работ, включавших бурение большого числа скважин, геофизические и опытно-фильтрационные работы и т.д.

Имеющаяся геологическая информация весьма представительна и позволяет принимать ответственные решения.

В состав удаляемых отходов-декантата бассейнов-хранилищ, входили соли натрия (нитраты, ацетаты, карбонаты, сульфаты), кремнекислота и некоторые другие примеси. Общее солесодержание составляло 160-200 г./л, удельная активность ^10-2..10^-1 Ки/л. Радионуклидный состав был представлен стронцием, цезием, рутением, церием и др. По результатам отбора и анализа проб пластовой жидкости из наблюдательных скважин установлено закономерное появление в нем компонентов отходов.

Полигоны захоронения РАО расположены вблизи основных производств в пределах санитарно - защитной зоны СКХ, в которой находятся также и другие объекты обращения с РАО - цех очистных сооружений, поверхностные бассейны - хранилища, промышленные водоемы, могильники твердых отходов.

Полигоны захоронения РАО Горно-химического комбината

В состав удаляемых технологических отходов входят соли натрия, кремне кислота, ионы некоторых металлов. Общее солесодержание составляло до 240 г./л. Радионуклидный состав аналогичен Отходам СХК и представлен стронцием, цезием, рутением, церием и некоторыми другими короткоживущими нуклидами.

Особенностью глубинного захоронения РАО ГХК, в отличие от условий СХК, является отсутствие других водопользователей в области возможного влияния захоронения и в непосредственной близости от нее, малая перспективность верхних водоносных горизонтов как источников водоснабжения. Это обстоятельство упрощает организацию контроля подъемных вод.

Глубинное захоронение РАО ГХК на полигоне «Северный» позволило изолировать от среды непосредственного обитания значительную часть образовавшихся отходов, избежать строительства потенциально опасных поверхностных хранилищ и бассейнов. Это имело большое значение для предупреждения радиационного воздействия на окружающую среду, особенно если учитывать близость объектов ГХК к р. Елисей.

Полигоны захоронения РАО Научно- исследовательского института атомных реакторов

Опытно-промышленный полигон (ОПП) захоронения технологических отходов исследовательских установок НИИАР расположен непосредственно на территории промзоны и вблизи цеха окисных сооружений, в котором осуществляемся подготовка отходов к захоронению.

Полигон включает 5 нагнетательных скважин, вскрывающих III и IV проницаемые зоны, 32 наблюдательных скважины.

Удаляемые отходы включают растворы от дезактивации оборудования, помещений и спецодежды, душевые воды санпропускников, сбросы контурных вод и бассейнов выдержки топлива. В отходах содержатся фосфаты, оксалаты, сульфокислоты, нитраты, масла. Сухой остаток до 3,6 г/л. Удельная активность до 1 -10^-5 Ки/л, в составе нуклидов изотопы цезия, стронция, рутения, циркония, редкоземельных элементов. Долгоживущие нуклиды находятся в следовых концентрациях.

Результаты захоронения жидких РАО НИИАР подтвердили перспективность использования глубоких горизонтов карбонатных отложений для удаления промстоков, позволили установить некоторые закономерности pacпpocтранения отходов в недрах, в частности характер заполнения трещинного норового пространства и дисперсионных явлений, усыновить малое влияние плотностной конвенции на распределение отходов вопреки устоявшемуся мнению о значимом воздействии этого фактора.

Однако основное значение глубинного захоронения РАО НИИАР - изоляция от среды непосредственного обитания более 2,0 млн. куб. м отходов, содержащих радиоактивные веществa, отказ от сброса стоков в воды Куйбышевского водохранилища. Удалось избежать накопления РАО на поверхности в специальных сооружениях, не гарантирующих защиту грунтовых вод от радиоактивных загрязнений.

Были выполнены исследования и опытные работы по установлению принципиальной возможности захоронения на полигоне НИИАР других отходов предприятий отрасли и Димитровградского промышленного района: отходов гальванических производств, в том числе Димитровградского автоагрегатного завода, отходов АЭС после переработки на установке глубокого упаривания. Достигнут положительные результаты. Удаление подобных отходов не повлияет на условия безопасности захоронения, размеры горного отвода недр.

6. Основные научно-практические выводы

Результаты исследований, выполненных при обоснования и создании полигонов захоронения жидких РАО, опыт их эксплуатации и контроля состояния отходов в коллекторских горизонтах позволяют сформулировать следующие общие выводы, предоставляющие интерес для комплексного использования недр и решения различных гидрогеологических задач,

1. Принципиально возможно и технически осуществимо в промышленных масштабах размещение (захоронение) различных промстоков (в том числе жидких РАО) в коллекторских породах глубоких водоносных горизонтов, удовлетворяющих определенным требованиям. При захоронении обеспечиваема локализация отходов в пределах устанавливаемых в недрах границ. Захоронение отходов не сопровождается отрицательным воздействием па объекты окружающей природной среды за пределами санитарно-защитных зон и горного отвода недр,

2. Для захоронения отходов могут быть использованы песчано-глинистые или карбонатные пористые проницаемые породы, залегающие в виде слоев, подстилаемые и перекрываемые слабопроницаемыми породами, обладающими свойствами водоупоров. Геологические и гидрогеологические условия мест предполагаемого захоронения должны быть исследованы для установления их соответствия требованиям локализации отходов в ограниченных объемах недр, для получения исходных данных, необходимых при обосновании и проектировании.

3. Применяемые методы и технические средства геологоразведочных работ и исследований позволяют получить информацию, достаточную для создания полигонов захоронения.

4. При исследовании мест предполагаемого захоронения наиболее важное значение имеет установление емкостных и фильтрационных cbohcib пород, плановой и вертикальной фильтрационной неоднородности, изучение перекрывающих пласты-коллекторы слабопроницаемых пород и условий изоляции пластов-коллекторов от вышележащих, горизонтов, пьезометрической поверхности подземных вод. Проведение исследований, обоснование и прогнозирование процессов захоронения существенно затруднены для коллекторских горизонтов, в составе которых имеются карстовые полости или зоны с аномально-высокой проницаемостью, тектонические структуры разрывного характера.

5. Процессы глубинного захоронения контролируемы. Применение методов гидродинамического, гидрогеохимического и геофизического контроля позволяет получать целостную картину о распределении отходов и протекании сопутствующих процессов. Данные контроля могут использоваться для оптимизации режимов захоронения для подтверждения безопасности.

11. Наиболее ответственный подсистемой системы глубинного захоронения являются нагнетательные скважины, во многом определяющие эффективность и безопасность захоронения.

12. Анализ фактических осложнений и предпосылок возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации действующих полигонов, сценариев гипотетических аварийных ситуаций показывает, что последствия осложнений и аварийных ситуаций при захоронении промстоков и жидких РАО не могут носить характер катастроф, их воздействие ограничивается санитарно-защитными зонами, развитие осложнений и аварийных ситуаций протекает весьма медленно, предпосылки их возникновения могут быть обнаружены по данным контроля состояния геологической среды и инженерных сооружений.

Наибольшей потенциальной опасностью характеризуются инженерные системы - трубопроводы, скважины, насосное оборудование. Наиболее частыми причинами осложнений и аварийных ситуаций являются низкое качество выполненных работ (скрытые дефекты), ошибки персонала, непринятие своевременных мер по предупреждению развития осложнений.

Опыт эксплуатации полигонов захоронения подтвердил высокие изолирующие свойства собственно геологических формаций, которые являются надежным вместилищем радиоактивных отходов.

Заключение

Основным итогом глубинного захоронения радиоактивных отходов является предотвращение их воздействия на население в районах трек крупных предприятий атомной промышленности, на животный мир и растительность, поверхностные и неглубокозалегающие грунтовые волы. Сотни, а может быть, и тысячи людей поколений 60-80-х годов, а также последующих поколений избавлены от дополнительных доз облучения, тем самым здоровье этих людей сохранено, а жизнь продлена.

Отходы, содержащие сотни миллионов кюри радиоактивных веществ, локализованы в геологической среде в пределах санитарно-защитных зон и горных отводов недр. Подавляющая часть радиоактивных нуклидов находился в горных породах в твердой фазе в виде сорбата и слаборастворимых соединений, образовавшихся в результате физико-химических процессов.

Строение и свойства геологической среды в местах захоронения, ее способность вмещать и локализовав отходы хорошо изучены при предваряющих захоронение геолого-разведочных, работах и исследовании, а также непосредственно при проведении захоронения, что позволяет достаточно уверенно прогнозировать дальнейшее поведение отходов.

Состояние отходов и вмещающих их геологических формаций контролируема проведением комплексных наблюдений и измерений, результаты которых позволяют подтверждать безопасное и, мест захоронения, при необходимости принимать меры по дополнительной изоляции отходов. Тем самым осуществляется мониторинг геологической среды в местах захоронения.

Возможные осложнения и аварийные ситуации при осуществлении захоронения не могут иметь катастрофических последствий, связанных с крупномасштабным воздействием на экосистемы, атмосферу и поверхностные воды.

Изъятие из возможного использования участков геологической среды, содержащих отходы, не приведет к значимым потерям природных ресурсов, поскольку эти участки не обладают какими-либо особо ценными свойствами, не содержат дефицитных полезных ископаемых, крупных запасов подземных вод.

Имеется возможность проведения эффективных консервационных мероприятий после завершении захоронения отходов.

Опыт глубинного захоронения РАО, наблюдения за распространением oтходов и сопутствующими процессами представляют интерес для использования в других областях графической деятельности; захоронение отвержденных отходов в слабопроницаемых геологических формациях, борьба с загрязнением подъемных вод и прогнозирование последствий загрязнения, разработка месторождений полезных ископаемых.

Развитие технологий переработки и отверждения жидких радиоактивных отходов, сопровождающихся их концентрированием и уменьшением объемов, позволит в последующем отказаться от глубинного захоронения радиоактивных отходов в жидком виде. Хранение отвержденных обходов на поверхности в специальных сооружениях и глубинное захоронение могут быть достаточно безопасными. Однако не следует исключать возможность захоронения при благоприятных условиях некоторых видов жидких радиоактивных отходов, например содержащих тритий к другие нуклиды с небольшими периодами полураспада.

Глубинное захоронение нерадиоактивных промышленных отходов (промстоков) является эффективным способом предупреждения загрязнения поверхностных водоемов и водотоков, особенно в регионах со сложной экологической обстановкой и для производств, отходы которых не могут быть обезврежены другими способами. Такой вид обращения с обходами широко применяема в США, начинает развиваться и в России.