В статье Богатова С. А., Дробышевского Н. И., Крупской В. В., Закусина С. В., Лехова В. А. рассматривается концепция пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов (ПГЗРО) с размещением тепловыделяющих радиоактивных отходов в относительно тонких стальных контейнерах с медным покрытием в упаковке из блоков компактированного бентонита в горизонтальных выработках. Авторами предполагается, что данная конструкция должна обеспечить безопасное захоронение исторических РАО класса 1, обладающих относительно небольшой активностью и тепловыделением. Предлагаемая концепция предъявляет соответствующие требования к бентонитовому буферу, из которых в работе количественно рассмотрены толщина, определяемая остаточным тепловыделением РАО, минимальная плотность в сухом состоянии, а также содержание монтмориллонита. Для дальнейших оценок предлагается исследовать компактированные блоки, приготовленные из бентонита российских месторождений с преобладающим содержанием натриевого монтмориллонита минимально необходимой сухой плотности. Заполнение зазоров между упаковками РАО из компактированного бентонита и выработками рекомендуется заполнять бентонитовыми пеллетами с максимально достижимой сухой плотностью с преобладающим содержанием кальциевого монтмориллонита.
Авторами рассматривается горизонтальное размещение контейнеров с РАО класса 1 (РАО-1) в несколько ярусов в буфере из блоков компактированного бентонита (КБ) и устанавливаются требования к свойствам материалов, применяемых для создания инженерных барьеров безопасности
Для размещения в ПГЗРО предполагаются остеклованные высокоактивные РАО, первичной упаковкой для которых служат открытые бидоны из углеродистой стали толщиной 4 мм с внешним диаметром 0,575 м и емкостью 0,2 м. Их габаритная высота составляет 1 м. Бидоны при хранении размещаются по 3 шт. в стальные пеналы. Исходя из нормативных требований, оболочка контейнера с РАО должна обеспечивать механическую прочность при сжатии не менее 10 МПа и сохранение ее изолирующей способности на срок не менее 1000 лет. Для обеспечения прочности при изостатической нагрузке 10 Мпа, авторами определена толщина обечайки контейнера из углеродистой стали (без учета запаса на коррозию) должна составлять не менее 27 мм, толщина плоской крышки — не менее 70 мм.
Основываясь на канадском опыте, авторы отмечают, что разрушение медного покрытия на стальном контейнере обусловлено рядом факторов, полноценный анализ которых в условиях ПГЗРО участка «Енисейский» пока невозможен, однако последние результаты для условий канадского скального массива, при максимально консервативных оценках, дают оптимистичный прогноз —коррозия медного покрытия за миллион лет не превысит 1,2 мм, а при реалистичных значениях параметров составит примерно 270 мкм.
Для дальнейших оценок в статье принято, что контейнер для размещения бидонов с ОВАО должен иметь толщину стенок 5 см, из которых верхние 5 мм составляет медное покрытие. Получающийся при этом диаметр контейнера — 70 см — в принципе, позволяет использовать существующую инфраструктуру обращения с упаковками непосредственно на площадке ФГУП «ПО «Маяк».
При выборе толщины контейнера также учитывалось , что он должен выдерживать асимметричные нагрузки набухающего бентонита и иметь достаточную жесткость для сохранения целостности при сдвиговых нагрузках, вызванных смещениями горных пород при сейсмических воздействиях.
Исходя из критерия максимальной температуры бентонита, контактирующего с контейнером в 100 °С, консервативные оценки расстояния между осями соседних контейнеров, содержащих по три бидона с ОВАО, для планировки ПГЗРО определяются авторами примерно в 1,5 м, а при двух — около 1 м.
В статье принимается, что барьерные свойства бентонитов определяются сухой плотностью содержащегося в них монтмориллонита: Са-монтмориллонит и Na-монтмориллонит (Ca-MM и Na-MM). В качестве барьерных материалов для ПГЗРО рассматриваются бентонит месторождений 10-й Хутор (республика Хакасия) и Таганское (республика Казахстан) и смеси бентонитовых и каолиновых глин. В работе обсуждается попытка экстраполяции результатов аналогичных исследований на неизвестные параметры российских бентонитов.
Исходя из зависимости характеристик бентонитовых материалов (давление набухания, водопроницаемость, устойчивость к эрозии, механическая прочность и др.) от их плотности в сухом состоянии, определено ее минимальное значение для блоков компактированного бентонита, окружающих контейнер с РАО, которое составляет около 1,6 г/см3, а для пелет, применяемых для заполнения зазоров между стенами выработки и блоками — максимально технически достижимой сухой плотности.
Отмечается, что максимальная плотность бентонита определяется главным образом поддержанием баланса между прочностью контейнера и пластической деформацией буфера, который позволяет сохранить целостность контейнера при сдвиговом смещении горных пород по плоскостям пересекающей выработку трещины вследствие сейсмических воздействий. Основываясь на международном опыте, авторы считают, что в рассматриваемой концепции толщина буфера и/или его пластичность должны составлять не менее 350 мм из бентонита с содержанием монтмориллонита в натриевой форме 75—90 % и сухой плотностью блоков около 1,7 г/см3.
В качестве обоснования возможности достижения таких показателей, указывается, что в настоящее время освоено производство бентонитовых блоков с характерными размерами порядка метра до значений плотности в сухом состоянии 1,7-1,8 г/см3, а также цилиндрических образцов с размерами до ~ 10 см — до 2,0-2,1 г/см3.
Оценено количество потерь бентонитового материала под воздействием фильтрующихся подземных вод, что может вызывать снижение плотности бентонитового буферного барьера., Рассмотрены возможные механизмы этих процессов исходя из того, что вкристаллических массивах водонасыщение выработок происходит в основном через несколько крупных пересекающих их трещин. В зависимости от интенсивности поступления, вода из трещины будет либо успевать поглощаться буфером, либо протекать дальше, прокладывая в нем своеобразные каналы. Частичное поглощение воды и набухание буфера будут сопровождаться образованием у стенок каналов бентонитового геля, облегчающего вынос частиц материала. Со временем, по мере насыщения и набухания бентонита, интенсивность выноса материала буфера будет замедляться. Данный процесс зависит от множества факторов, полный учет которых в настоящее время затруднен, поэтому авторами используется эмпирический подход.
Отмечается, что наибольшая эрозия буфера будет происходить в случае вертикального пересечения выработки водопроводящей трещиной. На основе данных лабораторных экспериментов авторы дают оценку, что на размываемом участке выработки масса вымытого бентонита в общей массе бентонита будет пренебрежимо мала и составит десятые доли процента.
Предполагается, что данное решение обеспечит достаточно высокую плотность и пластичность буфера при его долговременной химической стойкости.