Проведены исследования глинистых материалов для разработки инженерных барьеров безопасности при изоляции РАО в ПГЗРО

В статье Крупской В. В., Тюпиной Е. А., Закусина С. В., Ильиной О. А., Савельевой Е. А. рассматриваются вопросы разработки системы инженерных барьеров (СИБ) пункта глубинного захоронения высокоактивных радиоактивных отходов (ВАО) применительно к выбранному для его размещения участку «Енисейский» (Красноярский край) с особым акцентом на материалы и конструкцию буферного слоя.

Авторы отмечают, что безопасность захоронения обеспечивается благодаря принципу многобарьерности, реализуемому при создании СИБ за счет комбинации ряда последовательных и независимых защитных барьеров, которые в совокупности обеспечивают надежное удержание радионуклидов и ионизирующего излучения до срока, когда воздействия на людей или окружающую среду не будут превышать установленные допустимые значения.

 

СИБ при захоронении ВАО традиционно включает в себя такие элементы, как иммобилизирующая радионуклиды матрица, упаковка для захоронения (контейнер), в которую помещается матрица с РАО, и глинистые материалы, размещаемые в пространстве между контейнерами и стенками выработки (буферный слой), и др. (рис. 1). Принимая во внимание, что  многие параметры захоронения (захораниваемые элементы, характеристики вмещающей геологической среды и т.д.) весьма различны, необходимо проведение специальных исследований  для выбора конструкции  СИБ и применяемых при их создании материалов.

В работе предполагается, что для обоснования выбора СИБ будут проведены  исследования  по оценке  выполнения функций безопасности элементами  системы, в том числе: проведение опытных работ для получения характеристик применяемых материалов; выполнение лабораторных, стендовых и макетных испытаний, направленных на изучение процессов, влияющих на эволюцию свойств этих материалов; проведение изучений и накопление опыта по отработке технологии изготовления изделий из глинистых материалов для создания инженерных барьеров различных участков ПГЗРО; создание расчетно-аналитического инструментария для прогноза и сопровождения экспериментальных работ на базе математических моделей эволюции поведения материалов СИБ и миграции в ней радионуклидов (рис. 2)

Реализацию этих исследований в условиях максимально приближенных к реальным, планируется проводить  в подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ), сооружаемой на глубине 500 м на участке предполагаемого размещения ПГЗРО.

Для использования в СИБ авторы выделяют два типа глинистых материалов для буферной зоны: компактированные изделия и сырье для засыпки повышенной плотности. В качестве потенциальных вариантов рассматриваются бентониты различных месторождений, смеси каолин/бентонит, хотя перспективность применения добавок каолиновых глин в бентониты вызывает у авторов сомнения.

Буферный слой, обеспечивающий достижение требуемых функций безопасности, должен иметь следующие основные способности:

1. Обеспечивать низкие скорости миграции радионуклидов (фильтрации, диффузии), высокие показатели давления набухания и сорбции по отношению к загрязнителям.

2. Самогерметизации после начальной установки и самовосстановления в результате любых гидравлических и механических повреждений.

3. Эффективную передачу тепла от контейнера.

4. Пропускать газы, не вызывая повреждений в системе ПГЗРО.

5. Ограничивать микробную деятельность и сохранять скорость коррозии контейнера на прогнозируемом уровне.

6. Обеспечивать поддержку стенкам горных выработок, чтобы уменьшить потенциально возможное воздействие скальной породы на упаковки с РАО, быть в состоянии удерживать контейнер в проектном положении (чтобы не допустить проседания и опрокидывания).

Свойства глинистых материалов, которые обеспечивают достижение этих целей, называются критическими и определяют выбор сырья для создания инженерных барьеров, размещаемых на разных участках ПГЗРО. Для буферного слоя они условно могут быть подразделены на три категории: функциональные, эволюционные и миграционные (рис. 3).

Начиная с 2022 года уже проводятся комплексные исследования по анализу физико-механических и физико-химических процессов, протекающих в СИБ как в период  эксплуатации, так   и после закрытия ПГЗРО, с целью  получения  численных характеристик, в том числе набухания, водопроницаемости, прочности на одноосное сжатие, сопротивления сдвигу,  и др., необходимых для разработки в дальнейшем моделей напряженно-деформированного состояния (НДС) компактированных глинистых материалов  и уточнения миграционных моделей с учетом изменения порового пространства при набухании, фильтрации жидкости на границе барьер—барьер, тепловых нагрузках и т.д.

В составе участников исследований в настоящее время порядка 10 организаций: ИБРАЭ РАН, ИГЕМ РАН, ИГЭ РАН, РХТУ им. Д.И. Менделеева, СПбО ИГЭ РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова, Сколтех, ООО «Дека Сервис», АНО НИЦ «Открытый регион», ООО «Бентонит Хакасии».

Направление работ сконцентрировано на задачах разработки и обоснования структуры, строения (фракционный состав, влажность и т.д.) и конструкции (такие геометрические параметры, как размер и количество колец/сегментов, толщина и пр.) буферного слоя. По результатам может быть проведен сравнительный анализ противомиграционных и других свойств бентонитов и вариаций смесей глин с ранжированием результатов по приоритетности их использования в буферном слое ПГЗРО.

Свойства создаваемого глинистого буферного слоя предлагается  регулировать при помощи создания и применения уплотненных (компактированных) материалов. В рамках поиска технологических решений по подготовке сырья к уплотнению и изготовлению материалов с заданными свойствами принята программа по выработке геологических критериев приемлемости глинистых материалов.

Авторы считают, что последовательность деятельности по выбору материалов и проектированию строения и конструкции буферного слоя должна проходить этапы лабораторного масштаба, геотехнического исследования и завершиться промышленным исследованием.

В комплексе текущих и рекомендуемых авторами работ предусматривается необходимым, что все этапы разработки системы инженерных барьеров безопасности сопровождаются  расчетным  моделированием. 

Разработка каждой модели представляет собой итерационный процесс, при котором на начальном этапе используется имеющаяся информация о рассматриваемом процессе: данные по свойствам материалов, физико-химическим условиям в среде, химическом составе поровой воды и минеральной структуре глинистых и прочих материалов СИБ. Полученные в ходе экспериментов сведения должны предоставить возможность параметрического обеспечения расчетно-прогностических моделей. В свою очередь, результаты моделирования должны соответствовать наблюдаемым в ходе экспериментов трендам, а также обладать как описательной, так и прогнозной способностью по отношению к исследуемым процессам.

Имеющаяся и получаемая в результате экспериментов информация о составе, свойствах и эволюции перспективных для СИБ материалов, а также описание и схемы экспериментов загружаются в базу данных PULSE, которая является агрегатором сведений, связанных с проектом создания ПИЛ/ПГЗРО на участке «Енисейский».

Организация структуры для хранения и применения информации является важным аспектом обеспечения прозрачности в рамках обоснования безопасности. Данные по каждому эксперименту, включая условия проведения, результаты, а также их использование в разработке и верификации моделей, позволяют прослеживать обоснованность делающихся на их основе выводов.