Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оптимизация состава бентонит-кварцевых смесей, используемых в качестве защитных барьеров приповерхностных хранилищ низко- и среднерадиоактивных отходов

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация состава бентонит-кварцевых смесей, используемых в качестве защитных барьеров приповерхностных хранилищ низко- и среднерадиоактивных отходов"

На правах рукописи

00305702Э

ОБЛИВАНЦЕВ Дмитрий Юрьевич

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА БЕНТОНИТ-КВАРЦЕВЫХ СМЕСЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ЗАЩИТНЫХ БАРЬЕРОВ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ХРАНИЛИЩ НИЗКО- И СРЕДНЕРАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология» (по техническим наукам)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003057029

Работа выполнена в Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе.

Научный руководитель: Шищиц Игорь Юрьевич,

доктор технических наук, профессор

Научный консультант: Кириченко Юрий Васильевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Демин Николай Владимирович,

доктор технических наук, профессор

Горбунов Сергей Валентинович, кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное

унитарное предприятие ордена трудового красного знамени, комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ГНЦ РФ ФГУП «НИИ ВОДГЕО»)

Защита состоится «15» мая 2007 г. в 16— часов на заседании диссертационного совета Д 212.121.09 при Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе по адресу: 117997, Россия, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, аудитория 5-67а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГГРУ имени Серго Орджоникидзе

Автореферат разослан «14» апреля 2007 г.

Ученый секретарь . ^

диссертационного совета,

кандидат технических наук "Р / Рыжова Л.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Запасы углеводородных энергетических ресурсов в мире по различным оценкам закончатся в ближайшие 50-60 лет, а одним из сдерживающих факторов более интенсивного развития атомной энергетики являются трудности в организации работ по долговременному безопасному хранению отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Кроме этого образуется огромное количество низкорадиоактивных (НАО) и среднерадиоактивных (CAO) отходов в других отраслях промышленности. Накопление больших количеств радиоактивных отходов (РАО) непосредственно в зоне обитания человека увеличивает возможность неконтролируемого распространения радиоактивных веществ. Поэтому, основными задачами технической политики при обращении с РАО, согласно «Концепции Минатома России по обращению с радиоактивными отходами на период до 2025 года», который может быть обозначен как переходный период, являются проведение работ по переводу в безопасное состояние накопленных, а также вновь образующихся РАО, их хранение с обеспечением возможностей последующего захоронения с учетом международных принципов, технических норм и правил безопасности.

В связи с этим, вопросы сооружения хранилищ и могильников с высокой экологической надежностью, обеспечивающей безопасность в сфере жизнедеятельности и исключающих попадание выделений из техногенного массива в окружающую среду, являются в настоящее время весьма актуальными в проблеме обращения с радиоактивными отходами.

Целью работы является установление закономерностей сохранения специально создаваемыми инженерными барьерами изоляционных свойств на период проведения регулирующего контроля за состоянием НАО и CAO.

Основная идея работы: использование инженерных барьеров из компонентных смесей на основе бентонитовой глины для обеспечения принципа многобарьерной защиты для ограничения распространения РАО.

Анализ современного состояния проблемы захоронения РАО свидетельствует, что основные защитные свойства отводятся геологическим факторам. Захоронение РАО со средней и низкой степенью активности и непродолжительным периодом полураспада осуществляется по технологии одинаковой с сооружением могильников высокорадиоактиных отходов (BAO). Защитные свойства инженерных барьеров из различных материалов изучены недостаточно, что позволяет сформулировать основные задачи исследований:

♦ Изучение особенностей формирования долговременных хранилищ и могильников РАО различной степени активности и оценка их экологической безопасности.

♦ Определение фильтрационных способностей бентонитовой глины и бентонит-кварцевых смесей различного весового соотношения.

♦ Установление основных закономерностей изменения проницаемости бентонитовой глины и кварцевых смесей на ее основе в зависимости от содержания кварца и градиента напора.

♦ Обоснование возможности применения инженерных барьеров из бентонит-кварцевых смесей в качестве основного защитного экрана хранилищ НАО и CAO.

♦ Установление расчетных показателей мощности инженерных барьеров из бентонит-кварцевых смесей в зависимости от срока безопасной эксплуатации хранилищ РАО.

♦ Разработка технологических схем приповерхностного захоронения CAO и НАО и систем комплексного мониторинга окружающей среды.

Методы исследований, достоверность и обоснованность полученных результатов. В работе использованы: анализ опыта возведения долговременных хранилищ и могильников РАО в России и за рубежом; анализ строения могильников и долговременных хранилищ РАО различных типов; классификация РАО по их удельной активности; комплексный подход к решению поставленных задач на основе анализа научной и патентной литературы; лабораторные, фильтрационные испытания бентонита и бентонит-кварцевых смесей различного содержания; теория вероятностей и математической статистики для обработки результатов исследований; теория фильтрации жидких сред и растворов.

Защищаемые положения, разработанные автором:

1) Закономерность изменения коэффициента фильтрации от соотношения компонентов бентонит-кварцевой смеси.

2) Определение расчетных значений коэффициента фильтрации для инженерных барьеров из бентонит-кварцевых смесей (Б:К = 1:0,3 и Б:К = 1:0,5), используемых для хранилищ НАО и CAO.

3) Зависимость мощности инженерного барьера из бентонит-кварцевой смеси (Б:К = 1:0,5) от коэффициента фильтрации, и определение расчетной мощности, позволяющей с достаточной степенью надежности изолировать НАО и CAO в приповерхностном хранилище от воздействия на население и окружающую среду в течение 300-500 лет и более, что соответствует периоду распада нуклидов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается:

♦ результатами и представительным объемом лабораторных исследований;

♦ высокими показателями статистических связей, подтверждающих взаимосвязь параметров и т.д.;

♦ сопоставимостью экспериментальных результатов с расчетными.

Научная новизна работы заключается:

♦ в определении впервые зависимости соотношения проницаемости бентонитовой глины от добавок в нее кварцевого песка;

♦ в установлении зависимости геометрических параметров инженерных барьеров от коэффициента фильтрации бентонит-кварцевой смеси, обеспечивающих надежную изоляцию НАО и CAO на период, превышающий период распада радиоактивных нуклидов.

Научное значение работы заключается в установлении зависимостей проницаемости бентонит-кварцевых смесей от содержания в них кварца и в обосновании возможности использования инженерных барьеров в качестве основных защитных сооружений, а также установлении их мощности для хранилищ РАО низкой и средней степеней активности.

Практическое значение работы заключается в установлении расчетных показателей толщины защитных инженерных барьеров из бентонит-кварцевых смесей на основании полученных значений коэффициента фильтрации; в разработке

экологически безопасных схем приповерхностного и скважинного захоронения отходов средней и низкой радиоактивности; в разработке схем комплексного мониторинга этих нестационарных природно-технических систем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научной конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале XXI века» (2002, Москва, РГГРУ), научной конференции «Молодые наукам о Земле» (2002, Москва, РГГРУ), VI Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (2003, Москва, РГГРУ), Международных выставках-форумах WASMA «Управление отходами» (2004, 2005, Москва, КВЦ «Сокольники»), Международной научно-практической конференции «Техника разведки и разработки» (2004, Москва, РГГРУ), IX международной экологической конференции студентов и молодых ученых (2005, Москва, МГГУ) 4-м съезде гидромеханизаторов России (2006, Москва, МГГУ), научном симпозиуме «Неделя горняка - 2007» (2007, Москва, МГГУ), семинарах кафедры РМЦРиРМ РГГРУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 научных статей, в том числе в рекомендованных ВАКом изданиях, и получен 1 патент на изобретение, содержащие основные положения диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, написанная на 140 страницах, содержит 33 рисунка, 22 таблицы, список литературы из 80 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Широкомасштабные исследования в области обеспечения безопасности захоронения РАО начались в 40-50 гг. прошлого столетия. Идее их размещения в геологических формациях посвятили свои исследования ученые Н.П. Ваучский,

B.И. Величкин, Т.А. Гупало, O.JI. Кедровский, Е.А. Котенко, Н.П. Лаверов, Е.А. Леонов, Р.И. Любцев, H.H. Мельников, В.Н. Мосинец, A.C. Никифоров,

C. А. Чесноков, И.Ю. Шищиц и др.

В соответствие с Федеральным Законом РФ «Об отходах...» захоронение регламентирует надежную изоляцию не подлежащих дальнейшему использованию отходов в специальных хранилищах (могильниках) с целью предотвращения попадания вредных веществ в окружающую среду. Следовательно, наряду с конструктивными особенностями собственно хранилища, особое внимание необходимо уделить надежности защитных сооружений и геологических барьеров. Вопросы взаимодействия этих радиационно опасных объектов с окружающей средой (атмо-, гидро-, лито- и биосферами) особенно возрастают при размещении отходов на поверхности или в хранилищах приповерхностного расположения, так как возрастает вероятность их взаимодействия с максимальным числом геосфер.

Анализ экспериментальных исследований и натурных наблюдений в области взаимодействия могильников РАО с окружающей средой показывает, что необходимо учитывать следующие характеристики как отходов, так и окружающей среды: изотопный состав отходов, механизм миграции вещества, комплекс сорбционных свойств вмещающих пород, водно-физические и реологические свойства пород, физико-химические и биохимические характеристики среды вмещающих пород и подземных вод, теплофизические свойства пород, воздействие радиоактивного излучения на физико-механические свойства пород и прочие параметры.

В соответствии с концепцией многобарьерной защиты хранилищ и могильников РАО одним из барьеров безопасности являются буферные материалы. Создание защитных барьеров должно производиться с учетом возможности миграции радиоактивных веществ радионуклидов за пределы контейнеров и упаковок, причем основное внимание необходимо уделить фильтрационной миграции, т.е. перемещению химических элементов жидкой составляющей или подземными водами.

Следует отметить еще один параметр, характеризующий поглотительные свойства пород, обменную емкость Е (кг-10"5 экв/кг), под которой понимается количество растворенного в воде вещества, поглощенного граммом сорбента. В ряду многих факторов на величину обменной емкости Е влияет величина пористости пород и крупность минеральных зерен, слагающих ее, т.е. степень ее уплотненности и дисперсности. От пористости и степени дисперсности зависит площадь поверхности контакта раствора с твердым веществом, причем отмечается прямая зависимость (рис. 1).

Проблема изоляции является заключительной частью работ по обращению с РАО и включает в себя комплекс, состоящий из следующих мероприятий: сбор РАО; переработка; кондиционирование, хранение;

транспортирование; захоронение РАО (с обязательным мониторингом объекта).

Основными принципами по решению вопроса безопасного захоронения РАО всех уровней являются следующие: принцип ответственности перед будущими поколениями; принцип радиационной безопасности; инженерно-технический принцип; технологические принципы.

Принято делить хранилища НАО и CAO небольшого заглубления на две группы: А - поверхностные, располагаемые выше естественного уровня рельефа (с учетом подготовленной площадки: удаление почвенного слоя, проведение подсыпок и т.п.); Б - приповерхностные, которые располагаются ниже уровня земной поверхности в пределах зоны аэрации.

120011001000, 9002

Ъ 800-k 700-| 600-I 50°-

I 400-§

% 300-

о О

2001000'

/ /

1

1

1 I

2 /у /

/ /

//4 ✓

,1 / И ✓

10 20 30 40 50 60 70 80 90% Рис. 1. Зависимость сорбционной емкости от процентного содержания глинистых частиц:

1 - песчано-глинистые породы;

2 - вермикулитовые глины;

3 - монмориллонитовые глины;

4 - каолинитовые глины.

Тип хранилища А-1 отличается от типа А-2 некоторыми конструктивными особенностями строения (как и Б-1 от Б-2).

Пятибальная оценка этих хранилищ показывают их достаточную надежность и высокую экономичность (табл. 1).

Таблица 1

Экспертная оценка конструкций хранилищ РАО.

Оценка фактора, балл

Тип хранилища Устойчивость к внешним воздействиям Изоляция от подземных вод Внутренняя безопасность Подконтрольность хранения Возможность извлечения отдельной упаковки Экономичность Сумма балов

А-1 4 5 4 4 2 3 22

А-2 4 4 3 3 1 1 16

Б-1 2 2 2 2 0 3,5 11,5

Б-2 1 1 1 1 0 5 9

Применение новых видов гидроизоляционных и геосинтетических материалов делает захоронение НАО и CAO в хранилищах поверхностного или приповерхностного типов более безопасным и надежным. Характерным примером может являться полигон радиоактивных отходов «Миронова гора» близ города Северодвинска Архангельской области. Площадь хранилища около 1000 м2 заизолировано BENTOMAT ASL100 фирмы «СЕТСО». Несмотря на ряд недостатков хранилищ неглубокого заложения, к основным из которых следует отнести: сложность обеспечения внутренней безопасности и контроля за поведением РАО, трудности перехвата радионуклидов при их выходе за пределы хранилища и т.п., такие схемы захоронения имеют перспективы. Основными достоинствами таких хранилищ являются невысокие материальные, трудовые и финансовые затраты.

Наши исследования показывают, что при захоронении НАО и CAO инженерные барьеры из бентонит-кварцевых смесей, толщина и конструкция которых устанавливается расчетами, могут выполнять главную изолирующую роль в течение 300-500 лет. Используемые для герметизации те или иные материалы или различные их комбинации должны выполнять следующие функции: 1) заполнение выработок во вмещающей породе; 2) снижение гидравлических и миграционных характеристик измененной в результате создания хранилища окружающей среды.

Выполнение каждой из этих функций является важным качеством инженерных барьеров. Герметизирующие материалы должны иметь следующие свойства: 1) низкую гидравлическую проводимость (фильтрационные свойства); 2) способность сорбирования нуклидов, то есть иметь достаточную сорбционную емкость; 3) достаточную жесткость и одновременно достаточную ползучесть; 4) способность набухать и быть пластичными, что способствует герметизации трещин; 5) высокую теплопроводность (для НАО и CAO это свойство не является важным и, в дальнейшем, оно не будет приниматься во внимание); 6) обладать долговечностью, то есть сохранять свойства в течение предусмотренного времени под действием давления и геохимических условий во вмещающей окружающей среде.

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что создание долговременных и надежных инженерных барьеров позволит значительно повысить экологическую безопасность объектов захоронения РАО. В соответствие с исследованиями ВНИПИПТ и других организаций возникновение чрезвычайных ситуаций, связанных с горно-геологическими условиями, выражаемая количеством прогнозируемых осложнений при строительстве и эксплуатации подземных

сооружений, существенно увеличивается на глубине более 1250 м. Поэтому захоронение НАО и CAO целесообразно производить в приповерхностном слое земной коры по технологическим схемам, главенствующую защитную роль в которых должны играть инженерные барьеры.

Для низко- и среднерадиоактивных отходов со сравнительно короткоживущими радионуклидами С°Со, 137Cs, 90Sr) наиболее перспективным и надежным природным защитным барьером могут служить глинистые породы. Они обладают низкой водопроницаемостью (Кф < 1-Ю"10 м/с) и высокими сорбционными свойствами по отношению к большинству радионуклидов, что обуславливает их надежные изоляционные свойства. Отмечено, что основным недостатком применения чистого бентонита является незначительный отвод тепла, что приводит к разогреву складируемого материала и нарушению целостности инженерных барьеров. Этих затруднений можно избежать вводом дополнительного минерального компонента. Наиболее подходящим веществом является кварц, так как он обладает очень хорошими теплопроводящими свойствами и значительной химической стойкостью.

Для того чтобы определить оптимальный состав смеси, которую можно будет использовать при формировании инженерного барьера, для могильника низкоактивных отходов автором были проведены лабораторные эксперименты по определению фильтрационных свойств получаемого материала. Для исследования был взят сухой порошок бентонитовой глины «Зырянского» месторождения (Южное Зауралье, близ г. Курган). Свойства исследуемой глинистой породы приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Химический состав глины

Соединения Si02 А120з Fe20, FeO Ti02 CaO MgO so, K20 Na20 ППП

Содержание, (%) 54,81 16,12 6,26 0,14 0,93 2,20 1,56 0,07 0,69 0,38 16,82

Таблица 3

Минеральный состав глины

Минерал Содержание, (%)

1. Монтмориллонит 80

2. Лимонит 2

3. Слюда 10

4. Кварц 5,1

5. Кальцит 2-3

Кварцевый песок для исследования был взят с карьера «Дружба» (Рязанская обл., пос. Старожилово). Чтобы исключить различные примеси, весь песок был

просеян через специальные сита.

Таблица 4

Гранулометрический состав полученного песка

Наименование Гранулометрический состав, % при размере фракции, м

>0,25-10"3 (0,25-0,05)4 О"3 (0,05-0,01)103 (0,01-0,005)-10"3

Песок кварцевый 22,0 45,8 22,:3 9,9

Исследования проводились с использованием фильтрационной установки конструкции В.М. Павилонского. Лабораторные исследования состояли из двух этапов: подготовки образцов и фильтрации через них жидкости.

Фильтрационные исследования производились по методике, разработанной с учетом реальных условий эксплуатации экрана с соблюдением следующих условий:

а) фильтрация жидкости осуществляется в вертикальном направлении сверху вниз. Расчет коэффициента фильтрации производится по формулам:

<2 = Р- (2) £

Кф = 0,3 •;<>'+0,7 (3)

где К, - коэффициент фильтрации при температуре °С, м/с;

2-объем профильтровавшейся жидкости, м3;

Т— время фильтрации, с;

/—градиент напора;

со - поперечное сечение образца, м2;

Р - масса профильтровавшейся жидкости, кг;

р - плотность фильтрата, кг/мэ;

Кф - коэффициент фильтрации, приведенный к 10 °С, м/с; - температура в градусах, °С.

б) исследования проводились при постоянном градиенте напора I = 70 с целью установления поведения инженерного барьера в критических условиях, что позволяет экспериментально обоснованно оценить фильтрационную прочность инженерного барьера;

в) исследования проводились при естественных колебаниях температуры воздуха и атмосферного давления;

г) замеры величины напора и температуры жидкости в приборе осуществлялась раз в два дня;

д) в процессе испытания фрагмент фильтрационного экрана был зажат арретиром, что предотвращает изменение объема грунта вследствие набухания;

е) количество профильтровавшейся жидкости определялась регулярно через промежутки времени, длительность которых составляла от 2 суток;

ж) долговременность исследований была принята такой, чтобы можно было получить обоснованные данные об изменениях свойств пород, происшедших в результате фильтрации жидкости.

Для исследования фильтрации были использованы 24 образца бентонит-кварцевой смеси различной пропорции, в сравнении с 6 образцами чистого бентонита (табл. 5)

Таблица 5

Состав смеси (весовой) Количество образцов

1. Бентонит 6

2. Бентонит-кварц 1:0,3 6

3. Бентонит-кварц 1:0,5 6

4. Бентонит-кварц 1:1 6

5. Бентонит-кварц 1:2 6

Во всех опытах коэффициент фильтрации определялся с использованием дистиллированной воды, полученные среднеарифметические значения коэффициента фильтрации были использованы для составления вывода о проницаемости смесей различных составов.

Полученные смеси имели следующую плотность, которая определялась по формуле:

т ,л\

р=> (4)

где т - масса смеси, кг; V— объем смеси, м3.

Таблица 6

Плотность исследуемых смесей

Состав смеси (весовой) Плотность смеси, кг/м3

1. Бентонит 1050

2. Бентонит-кварц 1:0,3 1220

3. Бентонит-кварц 1:0,5 1370

4. Бентонит-кварц 1:1 1600

5. Бентонит-кварц 1:2 2150

На основании испытаний были построены графики изменения коэффициента фильтрации (К) во времени (рис. 2). Серия опытов показала, что к окончанию испытаний К достиг минимальных значений и его значения стабилизировались.

С целью подтверждения этих выводов была проведена вторая серия испытаний чистой бентонитовой глины и бентонит-кварцевых смесей с соотношениями Б:К = 1:0,3 и Б:К = 1:0,5 при градиенте напора / = 20. Испытаниям подвергались в общей сложности 12 образцов, по 4 образца разного состава. Общую продолжительность опытов пришлось увеличить, так как корректные замеры коэффициента фильтрации можно было определять лишь с 5-8 суток. Необходимо отметить, что во всех опытах получены значения К несколько ниже, чем в первой серии (см. рис. 2).

Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод о возможности применения полученных в первой серии испытаний установившихся значений коэффициента фильтрации К при расчетах параметров инженерных барьеров. Результаты измерения К при градиентах напора 70 и 20 свидетельствуют, что со снижением напора резко падает коэффициент фильтрации. Причем, бентонит-кварцевые смеси с содержанием кварца до 0,5 (в весовом соотношении) обладают противофильтрационными свойствами не уступающими чистым бентонитовым глинам.

На основании результатов проведенных исследований была получена зависимость величины коэффициента фильтрации от процентного содержания кварца в бентонит-кварцевой смеси (рис. 3). Зависимость свидетельствует, что добавление кварца в пропорциях 1:0,3-1:0,5 благоприятно действует на водоупорные свойства бентонита.

Результаты исследований проницаемости бентонит-кварцевых смесей были обработаны на ЭВМ с применением программы «Grapher», разработанной «GoldenSoftware». Получена зависимость, являющаяся полиномом третьей степени, вида:

К = (7,35-х3 - 334-х2 + 473-х + 142800)-10"16 (5)

где х - содержание кварца в смеси, %.

Можно отметить, что степень приближения равна 0,98.

г0,3-«

б)0,7-0,60,5-

Ьо,3-«

0,20,1-о-

в) 0,70,60,5-

>03-м

од-од-о-

1

-- н- - к.

«41 ...

'I \ \ ; 1 -1-1-

г ч..

* =1» N V

Х-. N.

\ ч ч "у *

\ ■ 1 - ■ 1

10 12 14 16 18 20 22 24 26 1,сут.

г) 0,1

1Г --Я - Е=

-X- =1

1 1 —I—1 -I—

_ -- Л

/ / N

/ / \

г / Ч > ч Ч

/ / ч\Л 1

_ )- ■ Л

~~ Г 1 г \ •---• 1 1

Рис. 2. Графики изменения коэффициента фильтрации:

а) бентонитовой глины;

б) бентонит-кварцевой смеси Б:К=1:0,5;

в) бентонит-кварцевой смеси Б:К=1:0,3 (1=70);

г) бентонит-кварцевой смеси (1=20; Б:К=1:0,5)

• опыт № 1 —■— опыт №2 * опыт №3 — 1 опыт N24 — ■"■ — опыт №5 — * — опыт №6

Необходимо заметить, что при насыщении бентонитовых смесей водой, коэффициент фильтрации начинает резко снижаться, а следовательно снижается и проницаемость. Во всех без исключения опытах к окончанию эксперимента коэффициенты фильтрации достигают минимальных величин и впоследствии стабилизируются или имеют незначительное снижение. Это свидетельствует о том, что расчет инженерных барьеров из бентонитов или их смесей с кварцем допустимо производить с использованием установившихся значений коэффициента фильтрации.

Испытания образцов чистого бентонита проводились в связи с возможностью сопоставить данные эксперимента с данными, полученными экспериментальным путем Р. Пушем (рис. 4).

10 г'о з'о 4*0 50 ¿0 74) %

Рис. 3. График зависимости изменения коэффициента фильтрации бентонит-кварцевых смесей различного состава.

0 8 10 1',2 1*4 1|б 1*8 2|о г'Др-Ю-'.кг/м1 Рис. 4. Зависимость коэффициента фильтрации от плотности р бентонитовой глины: • значения К, полученные автором; □ приведённые расчётные значения К.

Анализ результатов экспериментов позволяет сделать вывод, что образцы чистой бентонитовой глины, применяемой в эксперименте, и образцы чистой бентонитовой глины, исследуемые Р. Пушем, при одинаковой плотности имеют одинаковый коэффициент фильтрации. При одинаковой плотности смесь бентонит-кварц в весовой пропорции 1:0,5 имеет средний коэффициент фильтрации 1,94-10"11 м/с, а чистая бентонитовая глина 2,36-10'" м/с. Таким образом добавление кварца в бентонитовую глину в данной пропорции позволяет уменьшить коэффициент фильтрации на 17,8%. При добавлении кварца в пропорции 1:0,3 средний коэффициент фильтрации уменьшается на 29,4% по сравнению с чистой бентонитовой глиной той же плотности (приведенные значения).

Из вышеизложенного вытекает, что добавление кварца в бентонитовую глину в пропорции 1:0,3 (бентонит : кварц) позволяет уменьшить коэффициент фильтрации на 29,4% по сравнению с чистой бентонитовой глиной, а для пропорции 1:0,5-на 17,8%.

Однако при одинаковой плотности увеличение пропорции смеси бентонит-кварц до 1:1 средний коэффициент фильтрации увеличивается по сравнению с чистым бентонитом в 3,4 раза. Но при сравнении с чистым неуплотненным бентонитом (плотность 1000-1100 кг/м3) проницаемость увеличивается лишь на 33,4%.

Применение смесей с весовым содержанием бентонит-кварц 1:1 и 1:2 не является оправданным с точки зрения коэффициента фильтрации, так как средний коэффициент фильтрации таких смесей выше коэффициента фильтрации даже неуплотненного бентонита в 3,3 раза.

Проницаемость бентонитовых глин и смесей на их основе не является постоянной величиной; она может измениться в зависимости от гидродинамических, гидрогеохимических и термодинамических условий. Причем повышение температуры на 40-50°С незначительно влияет на водоупорные свойства бентонитовых глин и бентонит-кварцевых смесей.

Выбор соответствующих составов надежных инженерных барьеров должен основываться на следующих критериях: инженерный барьер должен защищать контейнеры от механических воздействий массива вмещающих пород, а также служить надежной опорой контейнерам с РАО, то есть обладать определенной жесткостью; инженерный барьер должен быть достаточно пластичным, чтобы воспринимать на себя напряжения в случае смещения породных масс; инженерный барьер должен обладать очень низкой проницаемостью и диффузионностью, чтобы уменьшить до минимума проникновение подземных и поверхностных вод или снизить скорость диффузии радиотоксичных изотопов из могильника; инженерный барьер должен обладать способностью абсорбировать радиоизотопы, то есть иметь емкость катионного обмена; инженерный барьер должен обладать теплопроводностью.

Основными преимуществами бентонита являются: экологическая чистота; высокие сорбционные свойства, позволяющие поглощать радионуклиды (средняя обменная емкость составляет 70-400 кг-10"4/кг); высокие гидроизоляционные свойства, особенно активированного бентонита; стабильность свойств с течением времени; пластические свойства, позволяющие «залечивать» нарушение гидроизоляции в результате ее повреждения; высокая сопротивляемость внешним воздействиям (добавки кварцевого песка увеличивают жесткость).

На основании выше изложенного, можно сделать вывод о соответствии свойств бентонитов критериям инженерных барьеров.

Смоделированные условия фильтрации через бентонит и бентонит-кварцевые смеси при /= 20 показывают, что максимальные скорости фильтрации соответствуют установившимся скоростям при I = 70. Так средняя установившаяся скорость фильтрации бентонит-кварцевой смеси 1:0,3 при /=70 составляет 7, 4-10 м/с, а средняя скорость при / = 20 составляет 6,ЗТО"10 м/с. Для смеси с отношением 1:0,5 эти значения соответственно составляют 6,2-Ю"10 м/с и 5,Ы0"1С м/с.

Отсюда вытекает второе защищаемое положение, что при расчетах инженерных барьеров можно использовать полученные стабилизированные

значения коэффициента К = 6,3-Ю"10 м/с для смеси Б:К = 1:0,3 и К = 5,МО"10 м/с для смеси Б:К = 1,05, что установлено полученной зависимостью, являющейся полиномом третьей степени.

Полученные значения и произведенные расчеты позволили определить скорости фильтрации воды через бентонит-кварцевые смеси:

V = %/, м/с (6)

где Кф - коэффициент фильтрации, м/с;

/- гидравлический градиент.

На основании расчетов были получены зависимости водопроницаемости бентонит-кварцевых смесей от величины гидравлического градиента при установившихся и средних значениях коэффициента фильтрации (рис. 5). Из графика видно, что максимальные скорости фильтрации даже при высоких градиентах составляют тысячные и сотые доли сантиметров.

гидравлического градиента:

1 - при среднем значении коэффициента фильтрации,

2 - при установившемся значении коэффициента фильтрации (Б:К = 1:0,3),

3 - при установившемся значении коэффициента фильтрации (Б:К = 1:0,5)

Задаваясь временем обеспечения надежности инженерных барьеров I = 300 лет и I = 500 лет, получены значения мощности (толщины) защитного слоя из неуплотненных бентонит-кварцевых смесей с соотношением 1:0,5:

8 = М>, м (7)

где V — скорость фильтрации при / = 20-70, м/с;

I = 300 лет (94608-Ю5 с) и 500 лет (15768-Ю6 с) - время необходимой надежности барьера.

Были получены зависимости необходимой мощности инженерных барьеров из бентонит-кварцевой смеси от скорости и коэффициента фильтрации при установившемся режиме (рис. 6). Эти зависимости позволяют получать параметры

защитных сооружений при захоронениях среднерадиоактивных и низкорадиоактивных отходов. С учетом коэффициента запаздывания эти параметры являются даже несколько завышенными. Уплотнение смеси в соответствии с расчетами обеспечивает уменьшение мощности защитных барьеров минимум на 2030%. При малых значениях градиента фильтрация в глинах и смесях может не подчиняться закону Дарси и принимать бесконечно малые значения.

кварцевой смеси (Б:К=1:0,5) от скорости и коэффициента фильтрации при установившемся режиме: 1 -1 =300 лет; 2 -1 =500 лет.

Оценивая расчеты и полученные зависимости, можно сделать вывод, что мощность инженерных барьеров из бентонит-кварцевой смеси 1:0,5 должна составлять порядка 0,15-0,20 м в нижней части, а по бортам и в верхней части объема захоронения около 0,10-0,15 м. Такие параметры позволяют надежно изолировать РАО от воздействия на окружающую среду в теченне 300-500 лет и более.

Проведенные исследования явились основой для разработки технологии захоронения НАО и CAO в хранилищах приповерхностного типа, где основную защитную роль выполняют бентонит-кварцевые смеси. Схема хранилища разработана таким образом, что позволяет обеспечивать безопасность захоронения даже при залегании уровня грунтовых вод менее 4 м от дна или даже при частичном затоплении хранилища в период весеннего и осеннего колебания уровня грунтовых вод (УГВ).

При определении мощностей инженерных барьеров также за основу

„ 137/-. 90с,

принималось условие полного распада главных загрязнителей Cs и Sr до безопасных величин (согласно ВДУ-91) за время, необходимое им для преодоления защитных инженерных барьеров.

В общем виде разработанное хранилище приповерхностного типа представляет собой специально оборудованную траншею, параметры которой зависят от размеров полигона, рельефа местности, геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических условий и объемов складируемых отходов. Для строительства целесообразно выбирать те массивы покровных отложений, в которых

установившийся уровень грунтовых вод залегает ниже проектируемого дна хранилищ, нет эрозионных врезов, отсутствует сейсмическая активность и т.п.

Размеры каждого хранилища могут составлять от 10x30 м до 35x80 м при глубине 4-8 м (рис. 7). Общий объем складируемых МАО и CAO может достигать двадцати и более тысяч кубических метров. Количество хранилищ на полигоне определяется проектом согласно вышеизложенным условиям.

Рис. 7. Принципиальная схема хранилища РАО приповерхностного типа:

1 - массив РАО; 2 - дневная поверхность: 3 - разгрузочный дренажный контур; 4 -щебеночная обсыпка; 5 -- дренажная перфорированная труба; 6 - нагорная дренажная канава; 7 - гаподрепажпая и те плоот водящая труба с датчиками; 8 - температурные датчики; 9 - контроль но-наблюдательные скважины; 10 - депрессионкаА кривая разгружаемого водоносного горизонта.

Поч вен но-растительный слой на полигоне снимается, складируется во временные отвалы (бурты) и впоследствии используется для рекультивации. После проходки траншей до проектной глубины производится планировка дна и стен с последующим мокрым уплотнением.

На дне вдоль продольных стенок прорезаются две водоперехватывающие канавы, в которые укладываются дренажные асбоцементные трубы с щебеночной обсыпкой. Трубы укладываются с уклоном 1:100-300 и входят нижним концом в специально оборудованные колодцы, из которых впоследствии производится периодический отбор проб воды на радиоактивность. Канавы с трубами составляют дренажный понижающий контур, действующий в случае подъема уровня грунтовых вод или при обильной инфильтрации осадков и талых вод.

Далее по стенкам траншеи формируется вертикальный дренажный контур из песчано-гравий ной смеси, крупнозернистого песка или мелкого щебня. Этот контур

замкнут по периметру и гидравлически связан с водоперехватывающими канавами. Затем формируется основной защитный инженерный барьер из бентонит-кварцевой смеси, мощность которого устанавливается по полученным зависимостям с учетом времени существования объекта и глубины хранилища. На нижний слой барьера укладывается опорная бетонная плита мощностью до 0,2 м и слой ткани BENTOMAT или POLINEXT, основу которой также составляет бентонит-кварцевая смесь. Бентонит может быть в гранулах или порошковый.

Следующим этапом является формирование сорбируеще-водопроводящего слоя переменного сечения, укладываемого по дну хранилища и частично по стенам. Затем производится складирование отходов в контейнерах, остеклованном виде или в первоначальном состоянии. Отходы складируются непосредственно на всю мощность хранилища или могут перемежаться бентонит-кварцевой смесью. Возможен вариант использования смеси в качестве среды размещения НАО и CAO.

В процессе формирования хранилища в его тело закладывается контрольно-измерительная аппаратура: температурные датчики, пьезодинамометры, датчики радиационного контроля и т.п., которые входят в систему АРМ (автоматизированного рабочего места).

После формирования хранилища на полную мощность производится покрытие его в следующем порядке (см. рис. 7): массив РАО накрывается бентоматами; отсыпается верхний слой инженерного защитного барьера из бентонит-кварцевой смеси; формируется капиллярная «завеса» из мелкозернистого песка; отсыпается защитный слой суглинков; производится рекультивация поверхности хранилища почвенно-растительным слоем; высаживается травяной покров, не имеющий вертикально развитой корневой системы.

Поверхность хранилища имеет выпуклый техногенный рельеф с понижением к краевым зонам (уклоны равны i = 1:10-30), что способствует стоку осадков к нагорным канавам, оборудуемым по периметру объекта. Превышение центральной части также компенсирует осадки техногенного массива в процессе эксплуатации хранилища.

Предлагаемая конструкция хранилища приповерхностного типа обеспечивает не только организацию безопасного хранения НАО и CAO в течение расчетного времени, но и повышенную вместимость. Рассчитанные параметры мощности инженерных барьеров из бентонит-кварцевых смесей в сочетании с разработанной конструкцией хранилища позволяют исключить негативную составляющую сооружаемого объекта на природно-техногенную систему (ПТС), возникающую в районе захоронения.

Проведенный анализ существующих технологий скважинного хранения РАО свидетельствует, что при использовании разработанной в РГГРУ схемы возможно складирование НАО и CAO с обеспечением экологической безопасности на срок до 600 лет. Причем складирование CAO и НАО необходимо производить в хранилищах повышенной вместимости скважинного типа, строительство которых целесообразно производить с применением гидромеханизированных технологий. Разработанные схемы хранилищ с внутренним мягким трехслойным контейнером и инженерным защитным барьером из бентонит-кварцевой смеси обеспечивают надежную гидроизоляцию и отвод тепла.

Сочетание устойчивых геологических формаций с дополнительными инженерными защитными экранами из материалов, имеющих высокие сорбционные

и гидроизоляционные свойства, в скважинных могильниках значительно повышает экологическую надежность изоляции РАО от биосферы. Произведённое нами обоснование надежности инженерных барьеров из бентонит-кварцевых смесей позволяет создавать хранилища CAO и НАО без учета защитных свойств естественных геологических барьеров.

При мониторинге хранилищ радиоактивных отходов приоритет необходимо отдавать контролю за интенсивностью распространения радионуклидов в геологической среде. Наиболее активным переносчиком радионуклидов являются подземные воды, а при выбросах - атмосферный воздух. В соответствие с требованиями СП 2.6.6.1168-02 «СПОРО-2002» обоснование безопасности захоронения РАО при проектировании в эксплуатационный период осуществляется расчетами физической защиты, оценкой допустимой мощности выбросов и сбросов и т.д. Безопасность хранилищ РАО для населения в постэксплуатационный период доказывается моделированием техногенных процессов на основе мониторинга.

По нашему мнению цель мониторинга заключается в том, чтобы способствовать защите окружающей среды посредством прогнозирования неблагоприятных явлений при проектировании, строительстве и функционировании объекта на основе системного наблюдения за протекающими процессами.

Задачи мониторинга заключаются в следующем: изучить закономерности функционирования ПТС; прогнозировать процессы в ПТС, происходящие при естественных и антропогенных воздействиях на них; рассмотреть возможность и целесообразность природопользования на всех этапах существования объекта; отслеживать неблагоприятные тенденции при функционировании ПТС для предотвращения развития в опасные экологические процессы; оценивать степень и характер негативного воздействия хранилищ и могильников на окружающую среду.

Схема комплексного экологического мониторинга на объектах захоронения РАО представлена на рис. 8. Блоки предлагаемой схемы заполняются научно-техническими разработками, призванными в комплексе решить поставленные задачи.

Комплексный мониторинг должен включать в себя контроль за радиационным загрязнением (распространением радионуклидов) воздушного пространства, почвы, подземной и поверхностной гидросфер, а также биотопов.

Наиболее действенными и эффективными способами контроля является оборудование системы наблюдательных скважин и специально оборудованных пунктов на поверхности земли в непосредственной близости от хранилища, а также на границах санитарной зоны и полигона.

Целесообразно устанавливать в пределах зоны возможного загружения стационарные радиометрические приборы с автоматическими световыми и звуковыми сигнализирующими устройствами с одновременным выводом информации на АРМ.

Рис. 8. Схема комплексного мониторинга на объекте захоронения РАО.

Основной целью мониторинга хранилищ радиоактивных отходов должен быть радиационный и гидроэкологический контроль за интенсивностью распространения радионуклидов в окружающей среде.

Пункты радиационного контроля в санитарно-защитной зоне и зоне наблюдения должны располагаться относительно промплощадки по основным четырем направлениям: в направлении господствующих ветров, в противоположном и перпендикулярных направлениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение актуальной научной задачи геоэкологического обоснования технологии возведения долговременных хранилищ (могильников) НАО и CAO с применением в качестве основных защитных средств инженерных барьеров из бентонит-кварцевых смесей, что способствует повышению эффективности и экологической безопасности при захоронении радиоактивных отходов низкой и средней степенях активности.

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении исследований, заключаются в следующем:

1. Установлено, что создание защитных барьеров должно производиться с учетом возможности миграции радиоактивных веществ радионуклидов, причем основное внимание необходимо уделять фильтрационной миграции. Захоронение НАО и CAO возможно в достаточно неустойчивых блоках земной коры при условии создания надежных защитных барьеров, обладающих определенной пластичностью и устойчивостью на срок, превышающий период распада радионуклидов, а также сохраняющих целостность изоляции в течение всего времени существования объекта.

2. На основе анализа существующих схем захоронения РАО определено, что наиболее перспективными с точки зрения надежности и экономичности хранилищами НАО и CAO являются приповерхностные, поверхностные и скважинные. Применение новых гидроизоляционных и геосинтетических материалов, создание новых видов искусственных инженерных барьеров делает захоронение НАО и CAO в хранилищах поверхностного и приповерхностного типов безопасным и надежным в течение всего времени существования объекта. Захоронение НАО и CAO в приповерхностном слое земной коры целесообразно производить по технологическим схемам, главенствующую защитную роль в которых должны играть инженерные барьеры из бентонитовых глин, обладающих высокими сорбционными свойствами, набухаемостью и наименьшей гидравлической проводимостью.

3. Установлено, что основным недостатком применения чистого бентонита в качестве материала для создания инженерных барьеров при захоронении РАО является низкий отвод тепла, что приводит к разогреву складируемого материала и нарушению целостности защитных экранов. Добавление в бентонитовую глину кварца в весовых пропорциях до 1:0,5 благоприятно влияет на коэффициент фильтрации снижая его на 17,8-29,4% по сравнению с чистой бентонитовой глиной, уплотненной до плотности бентонит-кварцевой смеси. Причем проницаемость бентонитовых глин и смесей на их основе не является величиной постоянной; она может изменяться в зависимости от гидродинамических, гидрогеохимических и термодинамических условий. Повышение температуры на 40-50сС незначительно влияет на водоупорные свойства бентонитовых глин и бентонит-кварцевых смесей.

4. В результате проведенных исследований определено, что к окончанию эксперимента коэффициенты фильтрации достигают минимальных величин и впоследствии стабилизируются или имеют незначительные снижения. Это свидетельствует о том, что при расчетах инженерных барьеров можно использовать полученные стабилизированные значения К=6,3-10"10 см/с для Б:К=1:0,3 и К=5,1 -Ю'10 см/с для Б:К=1:0,5, что установлено полученной зависимостью, являющейся полиномом третьей степени. При снижении напора происходит резкое снижение значений коэффициента фильтрации, а при градиентах менее 20, коэффициент фильтрации стремится к нулю.

5. Доказано, что мощность инженерных барьеров необходимо определять по полученному графику и она должна составлять: в основании хранилищ порядка 1520 см (0,15-0,20 м), а по бортам и в верхней части - 10-15 см (0,10-0,15 м).

6. Установлено, что складирование CAO и НАО целесообразно производить в хранилищах повышенной вместимости скважинного типа, причем строительство необходимо производить с применением гидромеханизированных технологий. Произведено геоэкологическое обоснование надежности и долговечности разработанной схемы хранилища с внутренним мягким трехслойным контейнером и инженерным защитным барьером из бентонит-кварцевой смеси.

7. Доказано, что приповерхностное захоронение НАО и CAO по разработанной технологии обеспечивает экологически безопасное складирование отходов даже в неустойчивых геологических формациях за счет применения бентонит-кварцевой смеси, обладающей пластичностью, совмещенной с жесткостью, и способностью к «самозалечиванию» механических повреждений. Строительство хранилищ должно сопровождаться созданием дренажной сети, обеспечивающей разгрузку водоносных горизонтов.

8. На основании изложенного в диссертации можно сделать вывод, что комплексный мониторинг объектов захоронения РАО необходимо производить по разработанной схеме, которая включает радиационный и гидрогеоэкологический мониторинг системой наблюдательных скважин и специально оборудованных пунктов на поверхности земли в непосредственной близости от хранилища, а также на границах санитарной зоны и полигона относительно промплощадки по основным четырем направлениям: в направлении господствующих ветров, в противоположном и перпендикулярных направлениях. Целесообразно устанавливать в пределах зоны возможного загрязнения стационарные радиометрические приборы с автоматическими световыми и звуковыми сигнализирующими устройствами с одновременным выводом информации на АРМ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кедровский О.Л., Обливанцев Д.Ю. Создание экологически безопасных скважин - контейнеров для сухого хранения облучённого ядерного топлива (ЯОТ) реакторов РБМК. // Материалы конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых в начале XXI века». — М.: МГГРУ, 2002. - С. 32.

2. Патент 2212720, Россия, МКИ С 21 Р9/34 Способ длительного хранения ОЯТ в скважинах большого диаметра с трехслойной сталебетонной обсадкой. / Кедровский О.Л., Литинский Ю.В., Обливанцев Д.Ю. - Приоритет 11.03.2002.

3. Кедровский О.Л., Литинский Ю.В., Обливанцев Д.Ю. Длительное хранение ОЯТ в глубоких скважинах большого диаметра с трёхслойной сталебетонной обсадкой. // В сб.: Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. -Обзорная информация, № 3, М.: ВИНИТИ, 2002. - С. 71-74.

4. Кедровский О.Л., Обливанцев Д.Ю. Сравнительный анализ хранения отработавшего ядерного топлива в горных выработках и скважинном хранилище. // Материалы конференции «Молодые наукам о Земле». - М.: МГГРУ, 2002. - С. 65.

5. Обливанцев Д.Ю. Технология создания экономически безопасных хранилищ радиоактивных отходов с использованием барьера из глины. // Материалы VI международной конференции «Новые идеи в науках о Земле». - М.: МГГРУ, 2003.-С. 104.

6. Обливанцев Д.Ю. Обоснование организационных мероприятий при захоронении низко и среднерадиоактивных отходов. // Материалы международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых». -М.: МГГРУ, 2004.

7. Трухина Д.О., Обливанцев Д.Ю., Гурьянова О.Н. Захоронение отходов в массивах многолетнемерзлых пород. // Материалы международного специализированного форума «\VASMA-2005 / Управление отходами». — М.: МУК, 2004.-С. 141-143.

8. Шорников И.И., Трухина Д.О., Обливанцев Д.Ю., Гурьянова О.Н. Захоронение отходов в массивах горных пород. // Материалы международного специализированного форума «\VASMA-2005 / Управление отходами». — М.: МУК, 2005.-С. 191-192.

9. Кириченко Ю.В., Обливанцев Д.Ю. Гидромеханизированная технология строительства хранилищ скважинного типа. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Выпуск 4. - М.: МГГУ, 2006. - С. 326-331.

Заказ № 106/04/07 Подписано в печать 13.04.2007 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,25

/У^ Л\ ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76; (495) 778-22-20 чхОУ/ cfr. ги; е-таП:м/о@с/г. ги