Внедрение многих технологий в промышленность привело к ухудшению экологической обстановки и качества среды обитания человека. Ведущую роль в этом играют неизбежно образующиеся отходы производств. По данным ООН к настоящему времени только в гидросферу уже попало свыше 15 млрд. т различных загрязнителей. Особую опасность представляют радиоактивные отходы (РАО) и отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), суммарный объём и активность которых составляет «640 млн. м^ и 8,5 тыс. т и да 1,5 млрд. Кюри (Ки) соответственно [191−194] (табл.1).
В то же время на различных объектах Минатома России, Минобороны и Минтранса находятся на хранении да 8,5 тыс. т отработавшего топлива общей активностью «4,45 млрд. Ки, которое в соответствии с концепцией обращения с отработавшим ядерным топливом в будущем должно быть переработано, в результате чего объёмы РАО возрастут и образованные отходы так’же будут нуждаться в изоляции. Возможно, что некоторые виды отработавшего ядерного топлива, для которых ещё не определены технологии переработки, так/же будет необходимо изолировать.
Учитывая экологическую опасность РАО, недостаточный опыт промышленного внедрения для их изоляции, создание подземных хранилищ и могильников в геологических формациях является новой и важной народнохозяйственной проблемой^ направленной на обеспечение радиационной безопасности и улучшение условий жизни населения.
Таблица 1.
Объёмы РАО, накопленных на территории России [198].
Источник Вид Объём, м3 Активность, Кюри Место хранения.
Предприятия Минатома.
Добыча и переработка руд Шламы и отвалы пород 1,0×108 1,8×105 На площадках.
Обогащение урана и производство ТВЭ’лов Жидкие и твёрдые 1,6×106 4×103 Хвостохранилища, склады, площадки.
АЭС Концентрированн ые жидкие, Твёрдые, отверждённые 1.5×105 1,2×105 1,6×104 4,2×104 1,0×103 1,0×103 Емкости-хранилища на АЭС. Хранилища АЭС. Хранилища АЭС.
Регенерация и производство оружейных материалов Жидкие В АО. Остеклованные. Жидкие НАО и С АО. Твёрдые. 2.5×104 9,5×103 4,0×108 1,0×108 5,7хЮ8 2,0×108 7,0×108 1,2×107 Емкости ПО Маяк. Хран-ща. ПО Маяк. Ёмкости, водоёмы, бассейны. Ж.Б. хранилища.
Итого ~ 6,4×108 ~1,5×109.
Минобороны. ВМФ.
Эксплуатация АПЛ Жидкие. Твёрдые. 1,4×104 1,3×104 1,8×102 8,0×102 Береговые и плавучие базы. В железобетоне.
Итого 2,7×104 9,8×102.
Министерство транспорта.
Ледоколы и транспортные средства для контейнеров Жидкие. Твёрдые. 3,9×102 1,5×103 0,6 2,0×104 Береговые хранилища.
Итого ' 1,9×104 ~2,0×104.
Министерство оборонной промышленности.
Строительство и дислокация АПЛ Жидкие. Твёрдые. 2,5×103 1,5×103 5,0×102 1,0×102 Береговые и плавбазы. Хранилища на предприятиях.
Итого 4,0хЮ3 6,0хМ2.
Министерство строительства.
Использование радионуклидных источников ЖРО, ТРО, отв. РАО, капсулированные отработавшие источники 2,0×105 2,0×106 На 16 площадках предприятий «Радон».
Итого 2,0×105 2,0×106.
Всего 6,4хЮ8 1,5×109.
Состояние проблемы надёжной и экологически безопасной изоляции радиоактивных отходов.
Проблема изоляции твёрдых и отверждённых РАО начала разрабатываться с середины 60-х — годов, когда их накопление в поверхностных сооружениях достигло объёмовугрожающих экологическому состоянию крупных территорий. Эти работы развивались в следующих направлениях:
• совершенствование конструкций и комплексов наземных хранилищ.
200];
• размещение РАО на дне морей и океанов (США, Великобритания, СССР) [197,201];
• захоронение жидких РАО в изолированных пористых геологических формациях (СССР, Россия) [234];
• изыскание способов размещения РАО в зонах действия камуфлетных ядерных взрывов (СССР) (77, 96,97,108−109,113,116,193,203].
В этот же период учёными многих стран проводились поиски универсальных методов изоляции РАО. Было определено, что несмотря на многообразие, в современных условиях наиболее достижимым и надёжным способом изоляции РАО является их изоляция в недрах земли в специально оборудованных выработках, отвечающих определённым требованиям. Этот путь был определён и подтверждён нами в середине 70-х годов [20,26,173,204−206].
Работы по подземной изоляции отверждённых РАО в слабопроницаемых геологических формациях в нашей стране были начаты при отсутствии исчерпывающей информации о зарубежных исследованиях и практического опыта в этой области и было необходимо начинать работы самостоятельно в рамках намеченных мировым сообществом научно-технических направлений.
Учитывая актуальность и практическую значимость проблемы, отсутствие аналогов и практического опыта в этой области, перед институтом ВНИПИпромтехнологии — головным институтом Минатома России была поставлена задача: разработать и обосновать научно-технические основы надёжной изоляции отвержденных и твёрдых РАО в геологических формациях. Работы по этой проблеме велись по Федеральной программе 02 «Обращение с РАО и отработавшими ядерными материалами» по направлению 02−09 «Создание локальных и региональных хранилищ и могильников для РАО». Эти работы входят составной частью в Целевую Федеральную Программу России по обращению с РАО [230].
Основная идея работы заключается в использовании принципа многобарьерной защиты, базирующегося на выборе слабопроницаемых геологических формаций в качестве основного изолирующего барьера и обеспечивающего радиационную безопасность в комплексе с инженерными мероприятиями, реализуемыми в подземных горных выработках.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Условия приемлемости конкретных массивов горных пород в качестве основного изолирующего барьера базируются на специальных принципах и критериях.
2. Возможности использования в после эксплуатационный период рудников и шахт для изоляции РАО на основе оценок их состояния определяются условиями необходимых требований к качеству защиты окружающей среды.
3. Комплексная программа научно-исследовательских работ по обоснованию практической реализации создания подземных могильников и хранилищ РАО основывается на требованиях к полноте и качеству исходных данных для поэтапных оценок радиационной безопасности.
4. Методология поэтапных оценок безопасности подземной изоляции твёрдых и отверждённых РАО базируется на выявленных закономерностях процессов в массивах пород при захоронении РАО.
5. Методы и средства устранения нарушений природной среды при строительстве и эксплуатации подземных могильников и хранилищ учитывают происходящие изменения в массиве пород на всех жизненных этапах существования сооружения, в том числе предвидимые и случайные ситуации.
6. Результаты расчётов характеристик миграции нуклидов при развитии температурного поля вокруг нестационарного источника тепла основываются на использовании выявленных закономерностей сорбционных процессов и диффузионного переноса нуклидов в массиве скальных пород, имеющих открытые трещины или сплошную микротрещиноватость.
7. Метод расчёта параметров устойчивых и герметичных подземных емкостей, создаваемых с помощью камуфлетного ядерного взрыва в массивах каменной соли для целей захоронения РАО, базируется на выявленных закономерностях изменения свойств пород в околоконтурном пространстве взрывной полости.
8. Метод расчёта интенсивности охлаждения тепловыделяющих отходов, размещаемых в горных выработках, основывается на законе естественной депрессии воздуха, учёте термогравитационных сил, лучистого теплопереноса, термического сопротивления теплопроводности стенок.
9.Устойчивость могильников скважинного типа при сейсмических воздействиях свыше 5−6 баллов по шкале MSK определяется параметрами сейсмических волн и характеристиками заполнителей скважин.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются: представительным объёмом лабораторных и натурных исследованийсоответствием экспериментальных результатов, получаемых при различных условиях опытов, высокими показателями статистических связей, подтверждающими взаимосвязь параметров, нормальный закон распределения, доверительные интервалы и т. п.- сопоставимостью экспериментальных и расчётных результатов с данными подобных исследований, подтверждёнными в широком диапазоне условийподтверждением теоретических и расчётных результатов опытными данными, полученными на реальных объектах, соответствием их основополагающим закономерностям.
Научная новизна работы заключается в следующем: обоснована целесообразность использования в качестве основного защитного барьера на пути распространения нуклидов массивов, представленных кристаллическими породами (граниты, порфириты), каменной солью, глинистыми отложениями и толщами многолетнемёрзлых породобоснованы требования к безопасной изоляции РАО в горных выработках, учитывающих характеристики окружающей среды, массива вмещающих пород, гидрогеологические условия и воздействие нагрузок, создаваемых РАОопределены условия использования различных горных выработок для изоляции РАОразработана методология комплексных поэтапных оценок безопасности при подземной изоляции твёрдых и отверждённых РАОразработаны технико-технологические решения по устранению нарушений природной среды при строительстве и эксплуатации подземных могильников и хранилищдоказано, что при сообщении могильника с водоносным горизонтом через открытую трещину с апертурой 25 мкм угрозы загрязнения водоносного горизонта Cs-137 и Sr-90 свыше допустимых норм для питьевой воды не существует, так как концентрации этих нуклидов свыше уровней, требующих вмешательства для выполнения защитных мероприятий, будут иметь место на глубинах ниже этого горизонта на 420 и 340 м соответственно. При миграции нуклидов Ри-239 по микротрещиноватому массиву в течение первых 70−80 тыс. лет уровни их концентраций, требующих вмешательства для принятия защитных мероприятий не будут достигать водоносного горизонтаустановлена возможность использования подземных полостей, создаваемых с помощью камуфлетных ядерных взрывов, для целей захоронения РАО, с учётом выявленных закономерностей изменения физико-механических свойств солей в приконтурной зоне, характеризующихся пропорциональной зависимостью от их вторичных характеристик на контуре и сложной степенной зависимостью от мощности заряда, глубины его заложения и плотности пород, позволяющих определять предельную глубину заложения и предельные значения пролёта полостей, натурных исследованиях герметичности и оценках распространения нуклидовустановлено, что эффективным способом сухого хранения отходов, имеющих тепловыделение 200 Вт/м^ и более, является их размещение в вертикальных горных выработках с отводом тепла от них за счёт естественной депрессии воздуха, величина которой влияет на интенсификацию теплообмена (в 2−4 раза) между нисходящим и восходящим потоками воздуха за счёт термогравитационных сил в интервале рабочей зоны, определяемых сложной степенной зависимостью между критериями Нуссельта, Грасгофа и Прандтля, термического сопротивления теплопроводности стенок внутреннего ограждения в стволе, которое в диапазоне 0,1−0,4 мхК/Вт изменяет интенсивность теплообмена на 30% и болееустановлено, что составляющая напряжений в массиве пород при прохождении сейсмических волн пропорциональна параметрам волн и плотности среды и при интенсивности до 9 баллов по шкале MSK в сочетании с литостатической составляющей напряжений в породах с прочностью до 120−150 МПа не вызывает разрушения стенок скважин, а при заполнении пространства скважин различными материалами её устойчивость повышается в 1,25−2,5 раза, что позволяет расширить диапазон выбора площадок для сооружения скважинных могильников в районах с повышенной активностью.
Научное значение диссертации состоит в разработке методологической базы обоснования технико-технологических решений по подземной изоляции РАО на базе установленных закономерностей сохранения горным массивом изолирующих свойств в совокупности с инженерными мероприятиями.
Практическое значение работы.
Разработанная комплексная программа НИР и методология поэтапных оценок безопасности обеспечивают выбор рациональной конструкции и параметров могильников и хранилищ, а также разработку проектов их сооружения на конкретных площадках.
Концепция захоронения РАО в геологических формациях позволяет обеспечить требования радиационной и экологической безопасности для могильников и хранилищ в различных геологических условиях. педооти.
Обоснованы условия использования подземных выработок/подземных ядерных взрывов, сейсмической устойчивости скважинных могильников при захоронении и хранении РАО.
Показана возможность использования эффекта естественной тяги воздушной струи при временном хранении тепловыделяющих РАО и последующем их захоронении в вертикальных горных выработках.
Определены характерные особенности распространения нуклидов в массиве пород с различными типами нарушений и условий соблюдения радиационной безопасности с учётом НРБ-99.
На базе выполненных исследований разработана и внедрена в практику подготовки горных инженеров учебная дисциплина, учитывающая необходимость использования подземного пространства для подземной изоляции РАО и промышленных токсичных отходов.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований диссертанта были использованы при разработке:
Федеральной целевой программы «Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение на 1996;2005 годы», утвержденной постановлением Правительства РФ, 1995 г.;
Концепции надежной изоляции радиоактивных отходов в геологических формациях, утвержденной руководством Минатома России и Российской Академией наук, 1993 г.- принципов, критериев и технических требований по радиационной безопасности при захоронении радиоактивных отходов, разрабатываемых Госатомнадзором;
Государственной стратегии обеспечения экологической безопасности освоения недр", разработанной Федеральным центром геоэкологических систем государственного Комитета РФ по охране окружающей среды и Институтом проблем комплексного освоения недр РАН, 1999 г.- технической документации МАГАТЭ по вопросам подземной изоляции радиоактивных отходов, 1990, 1992, 1996 гг.- методов расчета устойчивых и герметичных емкостей в каменной соли, создаваемых с помощью камуфлетных ядерных взрывовпроектировании и сооружении подземных емкостей в каменных солях с помощью ядерных взрывов на объектах «Совхозное», «Дедуровка», «Галит» при участии автора в процессе внедренияметодики расчета устойчивости скважин под действием сейсмических волнтехнико-экономических обоснований и предложений по созданию подземного захоронения РАО на площадках Азгир, Лемеза, Красноярского ГХК, ПО «Маяк», «Радон» — методов расчета охлаждения тепловыделяющих отходов за счет естественной депрессии потока воздухаметода расчета распространения нуклидов по трещине в скальных породахрабочих программ научно-исследовательских работ по проблемеклассификаций типов подземных могильников и хранилищ РАО, нарушений окружающей среды, аварийных ситуаций при их сооруженииучебного курса «Основы геоэкологии и их инженерное применение для надежной изоляции промышленных токсичных и радиоактивных отходов» при подготовке бакалавров, горных инженеров и магистров в МГГУ по специальностям 05.15.02 и 05.15.04.
Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на научных советах Минатома России и его секциях, Всесоюзных и Российских конференциях Ядерного общества (1−1990, Обнинск, II-1991, Москва, III-1993, Н.-Новгород, V-1994 Москва) — V Симпозиуме стран СЭВ по проблемам обращения с РАО (1981, Прага) — совещании специалистов стран СЭВ по проблемам обращения с РАО (1987, Москва) — симпозиуме стран СЭВ по проблемам обращения с РАО (1990, Киев) — XIX сессии семинара по горной теплофизике (1988, Донецк) — XXIV Международной конференции по бетону и железобетону (1992, Москва) — семинаре Центра обучающих систем ЮНЕСКО «Управление отходами» (1994, Москва) — заседании «Круглого стола по научно-техническим проблемам разработки экологически безопасных технологий строительства и эксплуатации подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях» (1997, МГГУ. Москва) — XIII отраслевой радиохимической конференции (1987, Челябинск-40) — Международной конференции по вопросам охраны окружающей среды (1995,Челябинск-70) — Международном симпозиуме МАГАТЭ по подземному захоронению РАО (1979, Хельсинки) — Международном конгрессе «Nuclear-81» (Швейцария) — Международном симпозиуме МАГАТЭ по конечному этапу ядерного топливного цикла (1987, Вена) — Международном симпозиуме МАГАТЭ по обращению с РАО (1988, Швеция) — Международных конференциях «Обращение с РАО» (1988 и 1996, Туссон, США, 1992, Лас-Вегас, США) — IV и V Международных конференциях по обращению с радиоактивными отходами и охране окружающей среды (1993, Прага и 1995, Берлин) — XXI Генеральной Ассамблее Союза геологов и геофизиков (1995, Колорадо, США) — технических совещаниях экспертов и специалистов МАГАТЭ по вопросам применения гарантий при захоронении отработавшего топлива (1991, Вена) — по вопросам применения инженерных барьеров при захоронении РАО (1991, Вена) — по вопросам использования упаковочных средств при захоронении РАО (1998, Вена) — двусторонних российско-французских (1979, 1995, 1997, 1998), российско-немецких (1982) семинарахна научном семинаре «ВНИПИпромтехнологии (2000, Москва) и на кафедре ТПР МГГУ (2000, Москва).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:
1. Шищиц И. Ю. Исследования закономерностей изменения физико-механических свойств каменной соли в районе полости, созданной подземным ядерным взрывом // Специальные вопросы атомной науки и техники. Сер. Геология и горное дело / ВНИПИпромтехнологии. Вып. 1(1).-М., 1980, — С. 32−44.
2 Шищиц И. Ю. Основы классификации элементов технологии захоронения отвержденных радиоактивных отходов в геологические формации // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Геология и горное дело / ВНИПИпромтехнологии. Вып. 2 (10).- М., 1984, — С. 25−27.
3.Шищиц И. Ю. О системном и поэтапном подходе к оценке надежности подземной изоляции радиоактивных отходов. Труды 5-ой Научно-техническая конференция Ядерного Общества. — М., 1994. С. 12.
4Шищиц И.Ю. The Assessment of the Possibility of Free Underground Space Utilization with Regard to the Influence of Objects Being Planned for Construction on the Environmental // Proc. of the Fifth Int. Conf. on Radwaste & Environmental Remidiation. Vol.2. Berlin, 1995, — P.1299−1302.
5.Шищиц И. Ю. Возможности и пути использования подземных выработок по новому назначению // Горный журнал. — 1995. № 8. С.42−43.
6Шищиц И.Ю. О некоторых новых направлениях геотехнологических наук// Проблемы охраны окружающей среды и природных ресурсов. — 1997.-№ 2. С. 59−65.
1 Шищиц И. Ю. О преподавании курса «Научно-технические основы инженерной георадиоэкологии» при подготовке горных инженеров // Проблемы охраны окружающей среды и природных ресурсов. — 1997. № 4.-С. 46−67.
ЪШищиц И. Ю. Типы подземных могильников твердых и отвержденных радиоактивных отходов // Научные и технические аспекты окружающей среды. — 1997. № 5. С.50−118.
9Шищиц И.Ю. О комплексной оценке нарушений природной среды при подземном захоронении радиоактивных отходов // Геоэкология. — 1997.-№ 5. — С.121−125.
10Шищиц И. Ю. Инженерная георадиоэкология — новый раздел горных наук // Горный вестник. — 1999. № 2−3. — С.54−57.
11 .Шищиц И. Ю. Основы инженерной георадиоэкологии. — М.: МГГУ, 1998, — 607 с.
12.Шищиц И. Ю. Исследование закономерностей изменения физико-механических свойств каменных солей под действием подземного ядерного взрыва: Дис. канд. техн. наук: 05.15.02. — Защищена 31.10.78- Утв. 14.03.79- МФ-10 589. М., 1978. — 167 л.- Библиогр.: л.153−160.
13.Шищиц И. Ю., Ворбъев В. Н., Новоселъский Ю. А., Леонов Е. А. Метод расчета тепловых процессов в могильнике шахтного типа с предварительным охлаждением отходов воздухом .// Вопросы атомной науки и техники. Сер. Геология и горное дело / ВНИПИпромтехнологии. Вып. 2 (10). — М., 1984. — С. 24−29.
14 .Шищиц И. Ю., Кедровский О. Л., Воробьев В. Н. Возможные технические решения долговременного хранения высокоактивных отходов и отработавшего топлива в подземных сооружениях // Радиоактивные отходыпроблемы и решения/ ИАЭ им. И. В. Курчатова.- М., 1992. — С. 396−400.
15.Лопатин В. В., Леонов Е. А., Кедровский О. Л., Шищиц И. Ю., Казаков А. Н., Миловидов В. Л. Концепция надежной изоляции отвержденных радиоактивных отходов в геологических формациях. — М.: ВНИПИпромтехнологии, 1993. — 18 с,.
1 в. Шищиц И. Ю., Абалакин В. Г. Оценка сейсмической устойчивости скважин, используемых для долговременной изоляции высокоактивных отходов // Горный вестник. — 1998. № 6. — С.24−29.
17.Шищиц И. Ю., Татарчук Ю. С., Егоров Н. Н., Шипулин Ю. К. Обоснование расположения подземных хранилищ радиоактивных отходов // Горный вестник. — 1998, — № 5. — С. 65−72.
Шищиц И.Ю., Щетинин Н. Г., Манькин В. И. Разработка методики прогнозирования распространения нуклидов по трещине из скважинного могильника // Горный вестник. — 2000. — В печати.
19. Авт. свид. № 138 714 [СССР]. Хранилище радиоактивных отходов /.
И.Ю. Шищиц и др. — М., 1981.
20. Авт. свид. № 183 293 [СССР]. Хранилище радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др.- М., 1983 .
21. Авт. свид. № 225 979 [СССР]. Могильник радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др.- М., 1985.
22. Авт. свид. № 261 584 [СССР]. Могильник радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др. — М., 1987.
23. Авт. свид. № 273 269 [СССР]. Могильник радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др.- М., 1988.
24. Авт. свид. № 310 526 [СССР]. Конструкция могильника радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др.- М., 1989.
25. Авт. свид. № 312 255 [СССР]. Конструкция могильника радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и Ю. А. Новосельский.- М., 1990.
26. Шищиц И. Ю. Основные положения гарантий МАГАТЭ при захоронении отработавшего топлива // ВНИПИпромтехнологии.- М., 1991.76 с.
27. Шищиц И. Ю., Кедровский O.JI. Натурные исследования по проблеме захоронения радиоактивных отходов в геологических формациях // ВНИПИпромтехнологии.- М., 1992. — 161 с.
28. Bell М., Bonne A., Borgerson L., Шищиц И. Ю. и др. Perfrmance of Engineered Bariers in Deep Geological Repositories // Technical Report Series. № 342. International Atomic Energy Agency. Vienna, 1992, P.79.
29. Шищиц И. Ю. Основные положения и принципы оценки безопасности при захоронении радиоактивных отходов: Уч. пособ.- М.: МГГУ, 1994. — 75 с.
30. Шищиц И. Ю., Кедровский O.JI. Основные принципы надежной изоляции радиоактивных отходов в геологических формациях и эффекты воздействия отходов на барьерную среду // ВНИПИпромтехнологии.- М., 1993.81 с.
31.Шищиц И. Ю. Законодательные и нормативно-регулирующие основы надежной изоляции радиоактивных отходов: Уч. пособ. — М.: МГГУ, 1995. 137 стр.
32. Шищиц И. Ю. Использование подземного пространства для надежной изоляции радиоактивных и токсичных отходов промышленности: Уч. пособ.
4.1. -М: МГГУ, 1996, — 160 с.
33. Шищиц И. Ю. Использование подземного пространства для надежной изоляции радиоактивных и токсичных отходов промышленности: Уч. пособ.
4.2. — М.: МГГУ, 1996. 162с.
34. Шищиц И. Ю. Основные положения науки «Инженерная геоэкология»: Уч. пособ. — М.: МГГУ, 1996. 95 с.
35. Шищиц И. Ю. Поэтапные оценки безопасности при изоляции отвержденных и твердых радиоактивных отходов // ВНИПИпромтехнологии. -М., 1996. 36 с.
36. Шищиц И. Ю. Использование подземного пространства для надежной изоляции радиоактивных и токсичных отходов промышленности: Уч. пособ. Ч.З.- М.: МГГУ, 1997.92 с.
37. Шищиц И. Ю. Использование подземного пространства для надежной изоляции радиоактивных и токсичных отходов промышленности: Уч. пособ.
44.-М.: МГГУ, 1997. 52 с.
Работы по подземной изоляции отвержденных РАО в слабопроницаемых формациях в нашей стране были начаты при ограниченной информации о зарубежных исследованиях и практического опыта в данной области и было необходимо начинать работы самостоятельно в рамках намеченных мировым сообществом направлений.
Учитывая актуальность и практическую значимость проблемы, перед институтом ВНИПИпромтехнологии — головным институтом Минатома России была поставлена задача: разработать и обосновать научно-технические основы надёжной изоляции отверждённых и твёрдых РАО в геологических формациях. Работы по этой проблеме велись по Федеральной программе 02 «Обращение с РАО и отработавшими ядерными материалами» по направлению 02−09 «Создание локальных и региональных хранилищ и могильников для РАО». Эти работы в настоящее время входят составной частью в Целевую Федеральную программу «Ядерная и радиационная безопасность России [230]. Таким образом, проводимые исследования направлены на разработку и обоснование научно-технических и технологических решений новой горно-технологической проблемы, связанной с методами изоляции РАО с выделением наиболее существенно важных вопросов, подлежащих научному обоснованию и обеспечивающих создание подземных сооружений для их изоляции и отвечающих необходимым требованиям радиационной безопасности.
Успешное решение этой проблемы внесёт значительный вклад в улучшение экологической обстановки и условий жизни населения в крупных регионах и создаст условия для устойчивого развития.
По своему назначению эти работы относятся к поисково-теоретическим и направлены на получение новых, более полных знаний об изучаемых объектах.
Учитывая специфические особенности создания сооружений для изоляции РАО, возникла необходимость подготовки специалистов, обладающих необходимыми знаниями в области геоэкологии, в том числе применительно к изоляции радиоактивных и промышленных токсичных отходов в подземных сооружениях. Для этих целей в Московском Государственном горном университете был разработан и внедрён в практику подготовки горных инженеров курс соответствующей дисциплины [5961,66,69,71,78,83−85].
157. Основные результаты работ, проводимых в СССР по созданию могильников в геологических формациях для захоронения радиоактивных отходов и обеспечения безопасности: Доклад на сов.-американском семинаре / ВНИПИПТРуководители И. Ю. Шищиц., О. Л. Кедровский, А. И. Рыбальченко — Арх. дд 1069 от 21.02.90. М., 1987. 40 с.
158. Разработка методики расчета распределения температурных полей в изоляционных слоях скважинных могильников, расположенных в геологически неоднородной среде с выполнением расчетов применительно к условиям различных площадок: Отчёт о НИР (промежуточ.) / ВНИПИПТРуководитель И. Ю. Шищиц.- 1−1-01.13−05−01.89- №ГР Х-36 600- Арх. А-1203−90. М., 1987. 22 с.
159. Разработка научно-технических основ метода захоронения отвержденных радиоактивных отходов в геологических формациях: Отчёт о НИР (промежуточ.) / ВНИПИПТРуководитель И. Ю. Шищиц., О. Л. Кедровский, Е. А. Леонов.- 1−1-01.13−05−01.89- №Х-36 600- Арх. А-310−90. М., 1987. 68 с.
160. Принципы надежной изоляции РАО в геологических формациях: Отчёт о НИР (промежуточн.) / ВНИПИПТ Руководитель И. Ю. Шищиц., О. Л. Кедровский, Е. А. Леонов.- 1−1-01.13−05−01.89- №ГР Х-36 600- Арх. 9682,-М., 1987. 97 с.
161. Государственная стратегия обеспечения экологической безопасности освоения недр (концепция). Проект // Зелёный мир.-1999. № 16−17 (310 311).- С.16−19.
162. Анализ основных аварийных ситуаций при долговременном хранении и захоронении РАО: Отчёт о НИР (промежуточ.) / ВНИПИПТРуководитель И. Ю. Шищиц.- Дог. 222-нАрх. А-358−93. М., 1993. 68 с.
163. Основные принципы оценок воздействий захораниваемых отходов на окружающую среду: Отчёт о НИР (промежуточ.) / ВНИПИПТРуководитель И. Ю. Шищиц.- 1−1-01.13−05−01.89- №ГР Х-36 600- Арх. А-690−93. М., 1993. 72 с.
164. Научно-тхническое предложение по использованию опытного рудника «Степной» для захоронения радиоактивных отходов местных производств и южной группы АЭС: Отчёт о НИР (промежуточ.) / ВНИПИПТРуководитель работы И. Ю. Шищиц, Е. А. Леонов — 1−1-01.13−05−01.89-№ГР Я-32 023; Арх. А-298−93, — М., 1993. 69 с.
165. Экологические и технико-экономические исследования долговременного хранения и захоронения твёрдых ВАО и ОЯТ в геологических формациях: Отчёт о НИР по программе «Экологически чистая энергетика» / ВНИПИПТРуководитель И. Ю. Шищиц,.- Арх. А-1−94. М., 1994. 32 с.
166. Технико-экономическое обоснование способа хранения и захоронения ОЯТ в хранилищах скважинного типа. Разд.2 Рассмотрение возможных вариантов конструкции подземного сооружения для изоляции ОТВС с определением их положительных и отрицательных особенностей: Отчёт о НИР (промежуточ.) / ВНИПИПТРуководители И. Ю. Шищиц, О. Л. Кедровский.- Арх. А-87−97. М., 1997. 30 с.
167. Экологические и технико-экономические исследования захоронения твёрдых и отверждённых отходов. Исследования и разработки, направленные на обеспечение безопасного захоронения отходов атомной энергетики: Отчёт о НИР (промежуточ.) / ВНИПИПТ. Руководители И. Ю. Шищиц, О. Л. Кедровский.- Арх. А-168−97. М., 1997. 39 с.
168. Научно-техническое и экономическое обоснование создания подземой лаборатории для захоронения ВАО на площадке ПО «Маяк». Уточнение исходных данных по количеству, составу, физико-химическим характеристикам РАО, упаковок, дозиметрическим характеристикам, тепловыделению и другим показателям. Анализ геологических, гидрогеологических материалов, оценка объёмов подземного пространства будущего могильника: Отчёт о НИР по договору 250н / ВНИПИПТ;
Руководитель Т. А. Гупало.- Арх.98−98, — М., 1998. 32 е.- Отв. исполн. И. Ю. Шищиц.
169. Исследование условий экологически безопасной подземной изоляции отработавшего топлива реакторов РБМК в глубоких геологических формациях: Отчёт о НИР по договору 3−97−221 / ВНИПИПТ Руководители К. В. Мясников, И. Ю. Шищиц.-Арх. 179−97, — М., 1997. 12 с.
170. Разработка основных положений и принципов системного анализа для оценки безопасности при захоронении РАО: Отчёт о НИР (промежуточн.) / ВНИПИПТ. Руководители И. Ю. Шищиц, О. Л. Кедровский.- Арх. А-865−92.-М., 1972. 80 с.
171. Разработка принципиальных решений для длительного хранения и захоронения отвержденных РАО завода РТ-2: Отчёт о НИР (промежуточн.) / ВНИПИПТ. Руководители И. Ю. Шищиц, О. Л. Кедровский.-1−013−05−01−89 №ГР Х-9753- Арх. А-1163−92. М., 1992, — 41 с.
172. Основные положения ТЭО на создание подземной лаборатории на промплощадке ПО «Маяк: Технико-экономическое обоснование / ВНИПИПТ. Руководители И. Ю. Шищиц, О. Л. Кедроский, Е. А. Леонов.-1−013−05−01−89 №ГР Х-9753- Арх. А-541−92, — М., 1992. 234 с.
173. Разработка научно-технических основ метода захоронения радиоактивных отходов в геологические формации: Отчёт о НИР (заключит.) // ВНИПИПТРуководители работ Е. А. Леонов, И. Ю. Шищиц.- 1−013−05−01−89. №ГР X-9753- Арх. А-57−93, — М., 1992. 474 с.
174. Основные технические требования к подземным могильникам отвержденных РАО в слабопроницаемых геологических формациях: Отчёт о НИР (заключит.) / ВНИПИПТРуководители Е. А. Леонов, И. Ю. Шищиц.-1−013−05−01−89- №ГР Х-9753- Арх. А-58−93. М., 1992. 474 с.
175. Методика радиационного контроля на полигонах захоронения твердых РАО: Отчёт о НИР (заключит.)/ ВНИПИПТРуководитель работы И. Ю. Шищиц.- 1−013−05−01−89. №ГР Х-9753- Арх. А-1370−92. М., 1992. 43 с.
176. Обоснование инвистиций в строительство опытно-промышленного объекта для подземной изоляции твёрдых РАО низкой и средней активности и ДТВС на архипелаге Новая Земля / ВНИПИПТ: Руководители Н. Ф. Лобанов, И.Ю.ШищицАрх. А-10 176.-М.Д998. 20 е.
177. Разработка концептуальной модели подземного сооружения на основе анализа предварительных исходных данных о количестве и качестве ВАО, сведений о состоянии природной среды на предполагаемых площадках строительства: Отчёт о НИР (промежуточн.)/ ВНИПИПТРуководитель И.Ю.ШищицАрх. А-155/93. М., 1993, — 30 с.
178. НТО работ по детальной разведке геологических формаций Канского массива с целью получения разрешения на выполнение этих работ от администрации Красноярского края: Отчёт о НИР (промежуточ.)/ ВНИПИПТРуководитеь И. Ю. Шищиц — Арх. А-19/94.-М.Д994. 27 с.
179. Разработка технологических требований к отверждеиным отходам высокого и среднего уровня активности: Отчёт о НИР (промежуточ.)/ ВНИПИПТ;
Руководитель работ И.Ю. ШищицАрх. А-549−93. М., 1993. 31 с.
180. Выработка перечня исходных данных, необходимых для оценки безопасности изоляции отходов, получаемых в результате геологоразведочных работ: Отчёт о НИР (промежуточ.)/ ВНИПИПТРуководитель И.Ю.ШищицАрх. А-279−94, — М., 1994. 17 с.
181. Анализ условий безопасности размещения отвержденных отходов завода РТ-2 в специально создаваемом подземном сооружении: Отчёт о НИР (промежуточн.) / ВНИПИПТРуководитель И.Ю.ШищицАрх. А-587−94.-М., 1984. 31 с.
182. НТО экологически безопасного захоронения радиоактивных отходов, разработка технических и инженерных решений для создания могильников РАО приповерхностного типа и в геологических формациях: Отчёт о НИР / ВНИПИПТРуководитель И.Ю.ШищицАрх. А-204−95.-М., 1995. 56 с.
183. Научное обоснование условий и методов надежной изоляции твердых РАО в геологических формациях: Отчёт о НИР (промежуточ.) / ВНИПИПТРуководитель И. Ю. Шищиц .- Дог. 1.02.19.19.93- Арх. А-203−95. М, 1995. 34 с.
184. Анализ данных о типах подземных могильников и хранилищ РАО с оценкой возможности их использования на территории РоссииОтчёт о НИР (окончат.)/ руководитель работы И. Ю. Шищиц.- Дог. 5к-96- Арх. А-175−96. М., 1996. 165 с. // ВНИПИПТ.- 1996, арх. А-175−96.
185. Оценка параметров фронта миграции трансурановых элементов по горному массиву, выщелоченных водой из фосфатных стеклоблоков на примере площадки ПО «Маяк»: Отчёт о НИР (промежуточн.)/ ВНИПИПТРуководители Н. Г. Щетинин, И. Ю. Шищиц.- 1−013−05−01−89- №ГР Х-9753- Арх. А-817−93, — М., 1993,.- 28 с.
186. Захоронение и долговременное хранение в геологических формациях отвержденных радиоактивных отходов отработавшего ядерного топлива, а так же некоторых типов АЭС: Отчёт о НИР (заключит.)/ ВНИПИПТРуководитель И. Ю. Шищиц.- Проект 059 МНТЦ.- Арх. А-56−99, — М., 1999, — 179 с. в) Авторские свидетельства.
187. Авт. свид. № 138 714 [СССР]. Хранилище радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др. — М., 1981.
188. Авт. свид. № 183 293 [СССР]. Хранилище радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц идр.-М., 1983 .
189. Авт. свид. № 225 979 [СССР]. Могильник радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др.- М., 1985.
190. Авт. свид. № 261 584 [СССР]. Могильник радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др. — М., 1987.
191. Авт. свид. № 273 269 [СССР]. Могильник радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др.- М., 1988.
192. Авт. свид. № 310 526 [СССР]. Конструкция могильника радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и др.- М., 1989.
193. Авт. свид. № 312 255 [СССР]. Конструкция могильника радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц и Ю. А. Новосельский.- М., 1990.
194. Авт. свид. № 314 373 [СССР]. Способ изоляции радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц, А. П. Коренков, Е. В. Сапёров.- М., 1990 .
195. Авт. свид. № 1 715 106 [СССР]. Способ герметизации скважин при захоронении радиоактивных отходов / И. Ю. Шищиц, Т. А. Гупало, М. М. Ожован.-М., 1991.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
И ВЫВОДЫ.
Диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований осуществлено решение научной проблемы обеспечения радиационной безопасности окружающей среды на базе изоляции РАО за счёт сохранения горным массивом изолирующих свойств, имеющей важное народнохозяйственное значение для снижения экологических нагрузок на промышленные регионы.
Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:
1. Разработана комплексная программа НИР по обоснованию направления исследований, обеспечивающих практическое внедрение метода подземной изоляции твёрдых и отверждённых радиоактивных отходов, которая была учтена при составлении Федеральной целевой программы по обращению с РАО.
2. Разработаны принципы, критерии и требования безопасности, обосновывающие надёжность подземной изоляции РАО. Предложены аналогичные определения для включения в Государственную стратегию безопасности использования подземного пространства.
На основе разработанных критериев и принципов рекомендованы к использованию в качестве основного защитного барьера на пути распространения нуклидов массивы, представленные кристаллическими породами (граниты, порфириты), каменной солью, глинистыми отложениями и толщами многолетнемёрзлых пород, которые распространены на территории России.
3. Обоснованы требования к безопасной изоляции РАО в горных выработках, учитывающих характеристики окружающей среды, массива вмещающих пород, гидрогеологические условия, качество инженерных барьеров, воздействие нагрузок, создаваемых РАО.
Обоснованы условия использования различных типов подземных сооружений для изоляции РАО. Определены условия использования выработок отработанных рудников и шахт для захоронения РАО.
4. Определена методология комплексных поэтапных оценок безопасности при подземной изоляции твёрдых и отвержденных РАО. Разработана классификация мер и средств по устранения нарушений природной среды при строительстве и эксплуатации подземных сооружений для надёжной изоляции твёрдых и отвержденных РАО и мероприятий по предупреждению или минимизации последствий возможных аварийных ситуаций;
5. На основе результатов решения задач о развитии температурного поля вокруг нестационарного источника тепла, о механизме сорбции и диффузионного переноса нуклидов подземными водами определено, что при сообщении могильника с водоносным горизонтом через открытую трещину с апертурой 25 мкм, не существует угрозы загрязнения водоносного горизонта Cs-137 и Sr-90 свыше допустимых норм для питьевой воды, так как концентрации этих нуклидов свыше уровней, требующих вмешательства для выполнения защитных мероприятий, будут иметь место на глубинах ниже этого горизонта. При миграции нуклидов Ри-239 по микротрещиноватому массиву в течение первых 70−80 тыс. лет, уровни их концентраций, требующих вмешательства для принятия защитных мероприятий, не будут достигать водоносного горизонта. Такая угроза может возникнуть в более отдалённые периоды;
6 Установлено, что эффективным способом сухого хранения отходов, имеющих тепловыделение 200 Вт/м3 и выше, является их размещение в вертикальных горных выработках с отводом тепла от них за счёт естественной депрессии воздуха, величина которой влияет на интенсификацию теплообмена (в 2−4 раза) между нисходящим и восходящим потоками воздуха за счёт термогравитационных сил в интервале рабочей зоны, определяемых сложной степенной зависимостью между критериями Нуссельта, Грасгофа и Прандтля, термического сопротивления теплопроводности стенок внутреннего ограждения в стволе, которое в диапазоне 0,1−0,4 мхК/Вт изменяет интенсивность теплообмена на 30% и более;
7. Установлено, что составляющая напряжений в массиве пород при прохождении сейсмических волн пропорциональна их интенсивности и в сочетании с литостатической составляющей напряжений в породах с прочностью до 120−150 МПа не вызывает разрушения стенок вертикальных выработок, а при заполнении пространства скважин различными материалами её устойчивость повышается в 1,25−2,5 раза, что позволяет расширить диапазон выбора площадок для сооружения скважинных могильников в районах с повышенной сейсмоактивностью (до 9 баллов по шкале MSK);
8. Установлена возможность использования подземных полостей, создаваемых с помощью камуфлетных ядерных взрывов, для целей захоронения РАО, основанная на выявленных новых закономерностях изменения физико-механических свойств солей в приконтурной зоне, что позволяет определять предельную глубину заложения и предельные значения пролёта полостей, и подтверждённая натурными исследованиями герметичности полости и распространения нуклидов вблизи её контура.
Выявлены новые закономерности изменения физико-механических свойств солей в приконтурной зоне, характеризующихся пропорциональной зависимостью от их вторичных характеристик на контуре и сложной степенной зависимостью от мощности заряда, глубины его заложения и плотности пород.
9. Доказано, что эффективным способом сухого хранения отходов, имеющих тепловыделение 200 Вт/м3 и выше, является их размещение в вертикальных горных выработках с отводом тепла от них за счёт естественной депрессии воздуха, величина которой влияет на интенсификацию теплообмена (в 2−4 раза) между нисходящим и восходящим потоками воздуха за счёт термогравитационных сил в интервале рабочей зоны, определяемых сложной степенной зависимостью между критериями Нуссельта, Грасгофа и Прандтля, термического сопротивления теплопроводности стенок внутреннего ограждения в стволе, которое в диапазоне 0,1−0,4 мхК/Вт изменяет интенсивность теплообмена на 30% и более.
11. Выполненные исследования и сделанные на их основе обобщения позволили разработать и внедрить в практику подготовки горных инженеров новую дисциплину, направленную как на обеспечение экологической безопасности при подземной изоляции РАО и промышленных токсичных отходов, так и при других видах использования подземного пространства.
