способ подземного захоронения жидких радиоактивных отходов

Формула изобретения

Способ подземного захоронения жидких радиоактивных отходов, включающий закачивание отходов в глубокозалегающие пласты-коллекторы через скважины, их консервацию, отличающийся тем, что жидкие радиоактивные отходы удаляют в обводненные с застойным гидродинамическим и восстановительным слабощелочным режимом поглощающие песчано-галечниковые горизонты древних палеорусел, перекрытые толщей непроницаемых глинистых и песчано-глинистых отложений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано в области захоронения жидких радиоактивных отходов /РАО/. Объем отходов ядерного производства с каждым годом прогрессивно увеличивается, и их безопасное размещение является одной из ключевых проблем развития ядерной энергетики и атомной промышленности в целом.

Известен способ по временному хранению жидких отходов в емкостях [1, с. 415].

Недостатком этого способа является небольшой срок службы емкостей и возможность утечки РАО.

Известны два способа захоронения радиоактивных и других вредных отходов с целью повышения безопасности и надежности хранения и снижения затрат на сооружение хранилищ путем удаления отходов в полые пространства с последующим закрытием входных отверстий материалом, предотвращающим распространение отходов в окружающую среду [2, 3].

Недостатками захоронения отходов по данной технологии являются ограниченность области применения и низкая степень безопасности захоронения. Для захоронения рекомендуется использовать полые пространства, освобождающиеся после отработки нефтяных и газовых месторождений. Как известно, для поддержания пластового давления при разработке таких месторождений в недра закачивается огромное количество поверхностной воды. Результаты более чем 25-летних наблюдений в нефтегазодобывающих районах показывают резкое искажение физических полей и упруго-водонапорных режимов пород, комплексное проявление которых может представлять угрозу геологического масштаба. В рассматриваемом аспекте появление в освобождающихся полостях резко окислительной обстановки не способствует длительной консервации PAO.

По указанным способам для захоронения отходов могут быть использованы при этом только те полости, в которых соблюдены следующие требования:

1. Полые пространства должны находиться в тектонически активных зонах в условиях максимальной геомеханической пригрузки.

2. Глубина захоронения должна обеспечивать условие интенсивного перехода горной породы в предельно напряженное состояние с образованием разуплотнения пород вокруг полости.

Несоблюдение этих требований влечет за собой загрязнение поверхности Земли, поверхностных и подземных вод, облучение населения. Кроме того, обязательное тектонически напряженное состояние околополостного пространства может только способствовать появлению восходящего диффузионного потока радиоактивных веществ, например газообразного трития.

Таким образом, использование полостей отработанных нефтяных и газовых месторождений решает проблему захоронения РАО лишь частично.

В качестве прототипа выбран способ глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов в пористые геологические формации /4, с. 298 - 303/. Согласно этому способу захоронения жидких РАО производят в отрицательные структуры, сложенные терригенно-осадочными породами, выполняющими впадины в породах кристаллического фундамента. Поглощающие среды /пласты-коллекторы/ сложены песками, песчаниками и карбонатными породами с прослоями глин. Пласты глинистых пород, перекрывающие пласт-коллектор, обладают водоупорными свойствами. Поглощающие пласты содержат соленые воды, приурочены к зоне замедленного водообмена. Естественная скорость движения вод не превышает 1 м/год.

Захоронение жидких РАО проводят через нагнетательные скважины при одновременной разгрузке пласта-коллектора откачкой чистой воды из разгрузочных скважин. Для организации наблюдений и контроля за изменением гидрогеологического режима в пределах санитарно-защитной зоны бурятся наблюдательные и контрольные скважины, количество которых в 4 - 5 раз превышает количество нагнетательных и разгрузочных скважин.

Захоронению подвергают как средне-, так и высокоактивные жидкие РАО. Высокоактивные отходы перед захоронением проходят предварительную стадию подготовки, которая включает комплексование слаборастворимых соединений, стабилизацию растворов, разбавление, нейтрализацию. Отходы локализуют в ограниченных объемах геологической среды в пределах горного отвода недр и рассчитанной санитарно-защитной зоны.

Технология предусматривает консервацию полигонов захоронения, включающую консервацию и ликвидацию скважин и сооружений, мероприятия по ограничению миграции жидких РАО за пределы санитарно-защитной зоны.

Недостатком данного способа является низкая степень безопасности захоронений и высокие затраты на производство работ по захоронению.

Низкая степень безопасности захоронение обусловлена необходимостью определения границ горного отвода и санитарно-защитной зоны. По данной технологии они могут быть определены на основании прогнозных расчетов и моделирования процессов захоронения после проведения геологоразведочных работ и специальных исследований. При несоблюдении ограничений пользования недрами в этих границах произойдет воздействие отходов на подземные воды и поверхность Земли.

Высокие затраты на производство работ по захоронению отходов обусловлены дополнительными затратами на реагенты и оборудование для отверждения высокоактивных РАО, на проведение геологоразведочных работ и специализированных исследований при определении границ горного отвода и бурение большого количества глубоких наблюдательных и контрольных скважин, что связано с методикой и технологией работ по этому способу.

Предлагаемый авторами способ позволяет повысить безопасность захоронения жидких РАО, значительно снизить затраты на проведение захоронения.

Захоронение жидких РАО проводят в сейсмически неактивной области в поглощающие водоносные песчано-галечные отложения древних палеорусел, погребенные под мощной (более 400 м) непроницаемой глинистой и песчано-глинистой толщей более молодых отложений.

Палеорусла представляют собой долины шириной 1 - 5 км, врезанные на 50 - 100 м в коренные породы палеозойского фундамента. Мощность водоносных пластов-коллекторов, представленных чередующимися слоями сероцветных речных галечников, песков и глин, составляет в среднем 60 м. Такое геологическое строение палеодолины препятствует вертикальному и боковому распространению РАО.

Воды в пластах-коллекторах солоноватые и соленые, преимущественно гидрокарбонатно-хлоридно-натриевого состава с восстановительным гидрохимическим режимом, слабо щелочные. Воды характеризуются застойным режимом /градиент гидростатического напора менее 0,001/. Естественная скорость движения вод не превышает /максимум! / нескольких километров. Как показывают расчеты, такая гидрогеологическая и гидрогеохимическая ситуация обеспечивает безопасное захоронение РАО на продолжительность более 1000 лет.

Захоронение подвергают как средне-, так и высокоактивные жидкие РАО. Удаление высокоактивных РАО проводят без предварительной подготовки. Дальней миграции долгоживущих радионуклидов препятствует вялая гидродинамика глубоких недр и прежде всего восстановительная слабощелочная гидрогеохимическая обстановка. Низкая миграционная способность урана, нептуния, плутония, америция и технеция в такой обстановке объясняется ничтожной растворимостью и устойчивостью их простейших оксидов.

Захоронение отходов производят через нагнетательные скважины при одновременной разгрузке пласта-коллектора откачкой чистой воды из разгрузочных скважин. Применение разгрузки благоприятствует равномерному заполнению пласта-коллектора жидкими РАО, снижает развивающиеся пластовые давления.

Предлагаемый способ предусматривает захоронение по пятящемуся методу - от низовьев выбранного участка палеодолины к ее верховьям, что позволяет использовать разгрузочные скважины предыдущей ячейки в качестве контрольных и наблюдательных скважин на последующей ячейке. Узкая канализация могильная жидких РАО в палеодолине позволяет поддерживать количество наблюдательных и контрольных скважин в каждой ячейке закачивания жидких РАО в соотношении 1 : 1.

Отходы при захоронении локализуются в объеме палеодолины. Направление растекания после закачки проектного объема жидких РАО будет определяться природной гидродинамикой порового раствора, поскольку прекращение техногенных возмущений в виде избыточного градиента пластового давления приведет сразу же к восстановлению естественного режима. Дальнейшее смещение объема отходов, заполняющего напорный водоносный горизонт, будет происходить со скоростью движения подземных вод. Такая скорость перемещения будет у химически инертных радионуклидов, из которых относительно устойчив тритий /период полураспада 12,35 года/. За почти 125 лет, необходимых для полного распада трития, загрязненный раствор может распространяться максимум на 330 м по направлению уклона подошвы водоносного горизонта в палеодолине.

Более стабильные радионуклиды, обладая химической активностью при взаимодействии с породами, в разной степени будут задерживаться ими. Степень отставания радионуклидов от потока растворителя определяют по эмпирическим коэффициентам задержки или задерживающему фактору, который широко варьирует для разных радионуклидов и пород от 1 для йода во всех породах до 100000 для стронция, цезия, плутония, америция в некоторых типах горных пород.

После окончания закачивания жидких РАО производится консервация участка захоронения, включающая консервацию и ликвидацию скважин и сооружений.

Таким образом, предложенный способ захоронения жидких РАО в глубокозалегающие палеорусловые песчано-галечниковые горизонты обладает рядом отличительных признаков, позволяющих производить в последних безопасное захоронение жидких РАО:

1. Палеорусловые отложения надежно изолированы от среды обитания человека. Они перекрыты гораздо шире развитыми по площади плащом красноцветных глин мощностью от 150 м и перестраховочным буфером из одного или нескольких вышележащих водоносных горизонтов с восстановительной гидрохимической составной.

2. Благоприятен для захоронения жидких РАО гидрохимический режим палеорусловых вод. Воды - солоноватые и соленые, слабощелочные, характеризуются гидрокарбонатно-хлоридно-натриевым составом, восстановительной гидрохимической обстановкой. Долгоживущие изотопы - плутоний, нептуний, америций, кюрий, технеций и другие, как и собственно уран и торий, малоподвижны в восстановительной среде, а также активно сорбируются глинистыми компонентами пласта-коллектора.

3. Весьма благоприятен для захоронения РАО гидродинамический режим. Воды палеоруслового горизонта характеризуются практически застойным режимом /градиенты гидростатического напора менее 0,001/. Растекание жидких РАО по долинной структуре очень замедлено и не превышает /максимум!/ нескольких километров, что обеспечивает их самоочистку от сравнительно короткоживущих /до десятков лет/ продуктов распада урана: изотопов рутения, стронция, цезия, прометия, циркония, ниобия, а также трития. Радионуклиды переместятся на меньшее расстояние в соответствии с задерживающей способностью пород.

4. Застойный режим и узкая канализация потоков по погребенной палеодолине позволяет:

- в любое время, при необходимости, изолировать закачанный объем РАО искусственной кальматацией пласта-коллектора /например, созданием известково-гипсовой завесы при смене в недрах восстановительной среды на окислительную/;

- обеспечить надежный мониторинг по пласту-коллектору наблюдениями по специально оборудованным наблюдательным скважинам.

5. Узкая канализация могильника жидких РАО в палеодолине позволяет поддерживать количество наблюдательных и контрольных скважин в каждой ячейке закачивания жидких РАО в соотношении 1 : 1, тогда как в известным способе, выбранном за прототип, это соотношение равнялось 1 : 4, 1 : 5. Так как предлагаемый способ предусматривает захоронение по пятящемуся методу, это позволяет использовать разгрузочные скважины предыдущей ячейки в качестве контрольных и наблюдательных скважин на последующей ячейке.

6. Восстановительная гидрохимическая обстановка и слабая щелочность палеорусловых вод позволяет производить захоронение высокоактивных отходов без предварительной подготовки, что значительно снижает расходы на реагенты и оборудование.

Таким образом, признаки предлагаемого технического решения обладают существенными отличиями.

Пример 1 /по прототипу/. Проведено опытно-промышленное глубинное захоронение жидких среднеактивных отходов Исследовательского центра. Опытно-промышленный полигон расположен в пределах впадины Русской платформы, заполненной толщей осадочных пород, суммарная мощность которых составляет 2200 м. Выделено два пласта-коллектора. Первый пласт сложен песчаниками с прослоями известняков и глин, второй - карбонатными породами. Проницаемые пласты-коллекторы перекрыты мощной пачкой /до 700 м/ слабопроницаемых пород, сложенных глинами и мергелями. Подстилающие горизонты представлены кристаллическими породами.

Поглощающие горизонты содержат соленые воды /солесодержащие 20,0 - 24,0 г/куб.дм/ и приурочены к зоне замедленного водообмена: скорость движения вод не превышает 1 м/год. Район расположен в сейсмически неактивной области.

Закачивание отходов производилось через нагнетательные скважины. В состав среднеактивных отходов входят нуклиды - продукты деления: стронций, цезий, церий, рутений, тритий и другие, с периодом полураспада не более 30 лет. Время выдержки отходов в пластах-коллекторах до распада нуклида составляет около 30 лет.

Закачано 0,5 млн. куб. м отходов первую проницаемую зону и 1,5 млн.куб. м - во вторую. В течение 26 лет радиус распространения отходов в пластах-коллекторах соответственно составил 1,0 и 2,5 км от нагнетательных скважин. Результаты опытно-промышленных испытаний приведены в таблице N 1.

Результаты контрольных наблюдений и прогнозы последующего распространения отходов определяют значительную их миграцию за 300 лет и составляют соответственно 12 км для песчаниковой толщи и 30 км для карбонатной при соблюдении начальной гидрогеохимической обстановки на всем пути следования отходов. В зависимости от конкретных природных условий характер гидрогеохимической обстановки может измениться в сторону понижения pH и привести к выходу отходов за границы горного отвода и не обеспечить их безопасное захоронение. С другой стороны, отслеживание геологической ситуации и в радиусе даже 30 км от нагнетательных скважин требует значительных затрат на бурение глубоких скважине и их обустройство.

Следовательно, прогнозирование безопасности захоронения жидких РАО в синклинальных структурах и впадинах на платформах при отсутствии восстановительного режима в обводненных пластах-коллекторах малоэффективно и не обеспечивает безопасного захоронения жидких РАО.

Пример 2 /по предлагаемому способу/. Проведены геологоразведочные работы в районе уранового месторождения, поглощающие пласты-коллекторы которого находятся в аллювиальных отложениях палеодолины и могут обеспечить безопасное захоронение жидких радиоактивных отходов /5, с. 360 - 368/.

Палеодолина расположена на восточном склоне Среднего Урала /6/. Вмещающие пласты-коллекторы мощностью 50 - 90 м образуют сложнопостроенный водоносный горизонт чередующихся речных галечников, песков и глин, перекрытых плащом красноцветных глин мощностью 150 - 200 м и перестраховочным буфером из двух вышележащих водоносных горизонтов с восстановительной гидрохимической обстановкой. Воды застойные /градиенты гидростатического напора 0,001 - 0,003/. Скорость фильтрации естественного потока определена 0,4 л/год, а действительная скорость движения пластовой воды 2,6 м/год. Воды гидрокарбонатно-хлоридно-натриевые с общей минерализацией 1,5 - 13 г/куб.дм, слабощелочные /pH 8 - 9/ с восстановительной гидрохимической обстановкой.

Закачивание отходов производится через нагнетательные скважины при средней ширине палеодолины 2,5 км, мощности палеоречных отложений 60 м, эффективной пористости 15% и длине закачного профиля 1,5 км через одну ячейку закачивания размером 50 x 400 м /60 скважин/ можно закачать 2,7 млн. куб.м жидких РАО /при емкости пласта-коллектора 4 - 6 млн. куб. м на 1 км/.

При скорости движения пластовых вод в восстановительной обстановке около 2,5 м/год среднеактивные РАО за 300 лет переместятся приблизительно на 0,8 км, а радионуклиды на меньшее расстояние в соответствии с задерживающей способностью пород.

Основные параметрические характеристики захоронения жидких РАО приведены в таблице N 2.

На основании вышеизложенных данных можно сделать вывод, что при захоронении по данному способу средне- и высокоактивные жидкие РАО будут надежно законсервированы на весь период захоронения в пределах естественных границ бортов палеодолин и иметь незначительное распространение по его уклону /0,8 км за 300 лет или 2,6 км за 1000 лет/. Кроме того, при использовании данного способа снижаются расходы на бурение скважин, специализированные исследования, реагенты и оборудование.

Источники информации

1. Говард А. Д. , Ремсон И. Геология и охрана окружающей среды. Пер. с англ. - Л.: Недра, 1982, 583 с.

2. Патент 2022377 Россия, кл. G 21 F 9/24. (Петухов И.М., Батугина И.М., Батугин А. С., Петухов С.И. - N 5033006/25. Заявлено 4.03.1992 г. Опубликовано 30.10.1994 г. Бюллетень N 20.

3. Патент 2029401 Россия, кл. G 21 F 9/24. /Петухов И.М., Батугина И.М., Батугин А.С., Петухов С.И. - N 5036041/25. Заявлено 10.03.1992 г. Опубликовано 20.02.1995 г. Бюллетень N 5.

4. Кедровский О.Л., Рыбальченко А.И., Пименов М.К. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов в пористые геологические формации. - Атомная энергия, т. 70, вып. 5, 1991, с. 298 - 303.

5. Лисицын А.К., Марков С.Н., Попонина Г.Ю. Долматовское месторождение в Зауралье как пример геологической ситуации, пригодной для безопасного захоронения радиоактивных отходов. - Геология рудных месторождений, 1993, т. 35, N 4, с. 360 - 368.

6. Лучинин И.Л. Перспективы ураноносности Уральского региона. - Отечественная геология, N 6, 1995, с. 39 - 42.