Подземное захоронение жидких радиоактивных отходов
Представьте, что у вас есть комбинат по производству оружейного плутония для ядерного оружия. Вы пытаетесь скорее создать это оружие и нарастить его объемы в условиях конкуренции сверхдержав, холодной войны и угрозы атомной бомбардировки. Только вот помимо плутония такой комбинат еще производит сотни тысяч кубометров жидких радиоактивных отходов в год. Куда их девать?
В СССР и США в начале атомной гонки их просто сливали в открытые водоемы. Это привело к загрязнению рек и образованию целых радиоактивных озер. Когда в СССР стали наращивать мощности и строить новые атомные комбинаты, пришлось искать иные подходы к утилизации отходов. И их нашли. Эта статья об истории подземного глубинного захоронения жидких отходов, которая до сих пор используется в России.
Макет пункта захоронения ЖРО на одном из трех подобных российских объектов.
Для создания атомного оружия в СССР построили несколько крупных комбинатов и закрытых городов на Урале и в Сибири. Вместе с производством ядерных материалов они становились источником большого количества радиоактивных отходов, в первую очередь жидких. Большого опыта обращения с ними не было, да и не это было в первые годы главным приоритетом. В результате на территории России за 75 лет накоплено более 500 млн. м3 РАО, основным источником которых стали именно комбинаты по производству оружейного плутония.
Более 90% объема этих отходов сосредоточены в открытых водоемах на территории первенца атомной промышленности — комбинате «Маяк» (г. Озерск, Челябинская область), в Теченском каскаде водоемов и ряде озер, например, в озере Карачай и Старое болото. Создание и эксплуатация подобных водоемов обернулось большим количество экологических проблем. О том, как их решают я писал ранее в этой статье.
Вид на ПО «Маяк», ориентировочно 1990 год. Слева внизу — оз. Карачай. Самый радиоактивно-загрязненный водоем страны. Накопленная активность в разы превышает выбросы Чернобыльской АЭС. К настоящему времени водоем засыпан. Подробнее.
Два других комбината по наработке плутония чуть позже построили в Сибири. Это Сибирский химический комбинат в Северске и Горно-химический комбинат в Железногорске. Технологи учли опыт ПО «Маяк», поэтому объемы открытых хранилищ для жидких радиоактивных отходов (ЖРО) на них были гораздо меньше. Вместо них значительная часть ЖРО отправляли в подземные хранилища. Подобный метод захоронения отходов использовался и в крупнейшем советском и российском НИИ атомных реакторов в Димитровграде. Эти три объекта подземного захоронения ЖРО эксплуатируются до сих пор.
Северск и Пункт глубинного захоронения «Площадки 18 и 18а»
Сибирский химический комбинат (АО «СХК», а ранее Комбинат № 816) в городе Северске в 15 км западнее Томска — одно из крупнейших в мире предприятий по производству плутония, обогащенного урана и трансурановых элементов. Тут работали 5 промышленных реакторов, первая в СССР двухцелевая Сибирская АЭС и завод разделения изотопов. СХК начал работу в 1953 году. К настоящему моменту промышленные реакторы уже остановлены.
В начале работы СХК обращение со среднеактивными жидкими отходами было немногим лучше, чем на ПО «Маяк» — их сливали в специально построенные открытые хранилища. Однако печальный опыт ПО «Маяк» с его авариями и выбросами из поверхностных хранилищ (загрязнение реки Течи, взрыв емкости с ЖРО в 1957-м, ветровой разнос с пересохших берегов озера Карачай в 1967-м) требовал поиска иных подходов. Изменить технологию производства плутония тогда было невозможно, а способов переработки таких объемом ЖРО не было. Одним из вариантов решения была закачка ЖРО под землю.
Но не в любом месте это можно сделать, нужны особые породы и условия. В первую очередь, нужно найти пористые слои, способные вместить большой объем жидких отходов и по возможности связать их, обеспечив низкую скорость миграции радионуклидов и самоочистку растворов. Во-вторых, они должны быть надежно гидроизолированы от водных горизонтов для исключения выхода радионуклидов в подземные воды и на поверхность.
Были проведены исследования, показавшие, что под землей в непосредственной близости от СХК существуют песчаные пласты-коллекторы, изолированные слоями глинистых пород и обладающие необходимой емкостью для приема и удержания ЖРО.
Первые экспериментальные работы на пункте глубинного захоронения (ПГЗ) ЖРО «Полигон площадки 18 и 18а» провели в 1963 году. А через четыре года через скважины полигона начали закачивать нетехнологические низкоактивные отходы. В 1975 году ввели в эксплуатацию комплекс подготовки к захоронению технологических отходов, которые до этого сливали в открытые бассейны-хранилища Б-1 и Б-2. С 1982 года сброс отходов в открытые бассейны прекратили. А к настоящему моменту эти водоемы уже ликвидированы. Таким образом, глубинное захоронение жидких РАО путем их нагнетания в скважины было впервые в отечественной практике реализовано именно на СХК.
Современный вид на один из поверхностных водоемов СХК. Вернее на то что от него осталось после засыпки и частичной переработки ЖРО.
Но далеко не все жидкие отходы закачиваются в пункты захоронения. Большая часть низкоактивных отходов все же очищается до необходимых санитарных норм. Отходы с высоким содержанием солей подготавливаются к глубинному захоронению методами коагуляции, отстаивания и механической очистки, проверяются на соответствие критериям приемлемости для захоронения. При необходимости корректируется их кислотность. Лишь после этого они направляются на захоронение.
Устройство пункта глубинного захоронения ЖРО
На полигоне используются две площадки — 18 и 18а. Площадка 18 предназначена для захоронения нетехнологических низкоактивных РАО. В качестве слоев-коллекторов используются два водоносных песчаных горизонта на глубинах от 375 до 430 м и от 260 до 303 м. Между собой, а также сверху и снизу, эти горизонты отделены слоями глинистых пород.
Схема расположения полигона захоронения ЖРО и площадок 18 и 18а. Источник.
Отходы закачиваются в коллектор под давление около 20 атмосфер. Но за счет статического давления подземных вод вблизи нагнетательной скважины давление не повышается более чем на 15–20% и снижается при удалении от нее. Поэтому эксплуатация коллектора не вызывает деформаций геологической среды и сейсмических явлений.
Геологический разрез территории ПГЗ ЖРО в г. Северск. Источник.
Эксплуатация «площадки 18а» для среднеактивных отходов с одним горизонтом на глубине 314–341 м была начата в 1963 г. На площадке 5 нагнетательных скважин в центре, 4 наблюдательные скважины в радиусе 125 м и 5 в радиусе около 400 м от центра. Сюда направляются отходы с солесодержанием до 300 г/л. Всего на двух площадках на 2017 год было 36 нагнетательных скважин, 212 контрольных скважин на территории и 66 — региональных контрольных скважин за пределами пункта захоронения.
Схема расположения нагнетательных и контрольных скважин на площадках 18а (слева) и 18 (справа). Источник.
Общая максимальная мощность закачки ЖРО двух площадок — до 470 тыс. м3 в год. Всего по данным на 2007 год в хранилище накоплено 46,8 млн м3 ЖРО, а их суммарная активность — 1515 млн. Ки, что на порядок выше активности в поверхностных водоемах ПО «Маяк». К настоящему времени суммарная активность радионуклидов, находящихся в пластах-коллекторах, снизилась в 3–4 раза за счет естественного распада.
Димитровград и пункт глубинного захоронения РАО «Опытно-промышленный полигон»
В начале 1960-х в Ульяновской области вблизи г. Димитровграда был создан один из крупнейших центров для исследования реакторных технологий — ныне Государственный научный центр «Научно-исследовательский институт атомных реакторов» (АО «ГНЦ РФ НИИАР»). На его территории работает семь исследовательских реакторов, проводятся исследования элементов активных зон ядерных реакторов и ядерного топлива, в том числе его радиохимическая переработка.
Для захоронения низко и среднеактивных отходов центра в 1966 году запустили «Опытно-промышленный полигон» непосредственно на территории промзоны вблизи комплекса по обращению с радиоактивными отходами, в котором осуществляется подготовка отходов к захоронению.
Для размещения отходов используется два горизонта. Один залегает на глубине 1450 м, имеет мощность до 80 м, сложен песчаниками с прослоями глинистых сланцев. Второй залегает на глубине 1100 м, имеет мощность около 300 м и сложен известняками и доломитами. В естественных условиях эти горизонты содержат хлоридные кальциево-натриевые рассолы с минерализацией до 280 г/л и скоростью движения подземных вод до 1 м в год. От верхних водоносных горизонтов пласты-коллекторы отделены двумя водонепронецаемыми слоями пород.
Схема обращения с РАО на ГНЦ НИИАР. Слева внизу указан ПГЗ ЖРО. Фото автора из музея ГНЦ НИИАР.
Закачивают отхода через четыре нагнетательные скважины. Наблюдение за распространением отходов в подземном хранилище ведется через 35 наблюдательных скважин, которые размещены в трех поясах санитарно-защитной зоны, удаленных от центра полигона соответственно на 0,6; 3,0 и 12–13 км.
Макет разреза пластов захоронения ЖРО на «Опытно-промышленном полигоне». Фото автора из музея ГНЦ НИИАР.
Удаляемые отходы включают растворы от дезактивации оборудования, помещений, спецодежды, сбросы контурных вод реакторов и бассейнов выдержки ядерного топлива. В подземное хранилище разрешено закачивать до 60–70 тыс. м3 ЖРО в год. Средняя удельная активность закачиваемых отходов составляет 1,9 МБк/л, радионуклидный состав включает продукты деления урана с периодом полураспада не более 30 лет.
Наблюдения и расчеты показывают, что после захоронения отходов радиус контура отходов составит 2,5–3 км от центра полигона, а вследствие радиоактивного распада примерно через 300 лет активность захороненных отходов снизится до значений, ниже граничных для отнесения их к РАО. Проектный объем подземного хранилища использован лишь на 60%.
Железногорск и «полигон Северный»
Горно-химический комбинат (ФГУП «ГХК», ранее — Комбинат № 815, Красноярск-26) был единственным в мире подземным комплексом по производству плутония. Решение о его строительстве в Красноярском крае было принято в 1950-м, после испытания первой советской бомбы. Комбинат должен был увеличить наработку плутония в стране для расширения ядерного арсенала. Для защиты от возможных ядерных ударов основные объекты комбината разместили в скальных выработках глубоко под землей.
Электричка, на которой можно попасть на ГХК, расположенный под землей в скале
Первая очередь очистных сооружений ГХК была введена в эксплуатацию в 1958 г. В 1967 г. к очистным сооружениям комбината добавилось глубокое хранилище жидких РАО — «полигон Северный».
На полигоне для закачки используют два горизонта, первый — на глубине 355–500 метров, второй — на глубине 180–280. Объем (мощность) первого горизонта — 14 млн куб. метров, второго — 18 млн куб. метров. Подземный горизонт представляет собой линзу с геологическими отложениями в виде песчаных пластов, которые затрудняют водообмен и выход воды за пределы линз.
Радиоактивные вещества оседают на породах, в результате чего происходит самоочистка воды. Давление с подземных горизонтов снимается через разгрузочные скважины. Всего на полигоне используется около 150 нагнетательных, разгрузочных и наблюдательных скважин.
Наблюдательные скважины контролируют движение подземных вод на расстоянии до 10 км от точки загрузки. Енисей отгорожен от полигона тектоническим нарушением, в котором породы сместились и создали естественный барьер. В 2017 году были проведены исследования этого барьера, которые подтвердили его целостность.
«Полигон Северный» вблизи Горно-химического комбината. Фото: Александр Колотов.
В настоящее время при том режиме, в котором работает ГХК, в подземные горизонты закачивается примерно около 30 тыс. куб. метров низкоактивных ЖРО и около 5 тыс. среднеактивных. В настоящий момент использовано примерно 20% объема горизонтов.
По состоянию на 2007 г. в хранилище было закачано 6,37 млн м3 ЖРО суммарной активностью 982 млн Ки, которая к настоящему времени снизилась в 3–4 раза. Для промежуточного хранения жидких радиоактивных отходов использовались емкости на Радиохимическом заводе и четыре бассейна на поверхности. Принимать на полигон ЖРО с других предприятий кроме ГХК запрещено.
Обсуждение
Стоит отметить, что описанные пункты глубинного захоронения ЖРО — это первые и крупнейшие пункты именно захоронения, а не временного хранения отходов, существующие в нашей стране. Вплоть до 2011 года, когда в России был принят №190-ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами», в стране отсутствовало требование об обязательной подготовке РАО к дальнейшему захоронению. Вопросы обращения с РАО в основном решались в рамках отдельных предприятий, что привело к созданию уникальных по своей сложности и накопленным проблемам объектов размещения РАО, типа озера Карачай или Теченского каскада водоемов.
Новое законодательство предписывает отправлять на захоронение отходы в твердой форме и соответствующей упаковке, исключающей выход отходов в окружающую среду. Глубинное захоронение жидких НАО и САО в недра допускается исключительно в ПГЗ ЖРО, сооруженных и эксплуатируемых до вступления в силу ФЗ-190 (т.е. до 15.07.2011), при обеспечении соответствующих обоснований безопасности.
Вместе с новым законом, в 2011 году была создана специальная организация — «Национальный оператор по обращению с РАО» («НО РАО»), которая должна заниматься вопросами захоронения отходов. Ей и были в первую очередь переданы три существующих пункта глубинного захоронения ЖРО. Лишь потом НО РАО начал строить несколько приповерхностные пунктов захоронения твердых среднеактивных РАО на Урале и в Сибири и пункт глубинного захоронения высокоактивных РАО под Красноярском (о нем я писал тут).
Так что несмотря на то что ни нормами МАГАТЭ, ни российскими нормами для новых пунктов захоронения не предусмотрена закачка ЖРО в геологические горизонты, для действующих пунктов сделаны исключения. При участии миссий МАГАТЭ эти пункты обследуются и разрабатываются планы по обеспечению их безопасности и закрытию.
По мнению руководителя экологической организации «Беллона» Александра Никитина, среди заинтересованной общественности существует устойчивое мнение, что закачивать в геологические горизонты жидкие радиоактивные отходы неправильно в первую очередь из-за позиции МАГАТЭ, которое не признает такой способ захоронения ЖРО, а также из-за обеспокоенности в том, что закачанные под землю ЖРО будут мигрировать и проникать в водоносные горизонты.
Поэтому не смотря на более чем полувековой опыт безаварийной эксплуатации пунктов глубинного захоронения, от этой практики в ближайшие годы уйдут, но скорее всего не раньше, чем будут найдены приемлемые альтернативы. Над ними работают.
Например, на самих предприятиях — ФГУП «ГХК», АО «СХК», АО «ГНЦ РФ НИИАР», идет работа по модернизации производств и сокращению объемов образующихся жидких отходов. Например, на ГХК ежегодное образование ЖРО сократилось в 10 раз за 6 лет — с более 370 тыс. м3 в 2012 году, до около 40 тыс.м3 в 2018. Кроме того, на ГХК в рамках строящегося завода по переработке отработанного топлива РТ-2 внедряется технология, полностью исключающая образование ЖРО. Кроме того, на многих атомных объектах внедряются технологии и инфраструктура для переработки и отверждения жидких РАО.
В настоящее время в рамках ФЦП ЯРБ-2 идет разработка плана закрытия ПГЗ ЖРО. По словам представителя НО РАО, Россия в мае 2018 года декларировала в МАГАТЭ свое желание и готовность закончить практику закачки ЖРО. С 2025 года эти планы должны начать реализовывать.
Таким образом, мирная атомная энергетика в будущем не будет иметь отношения к практике глубинного захоронения ЖРО, доставшейся нам в наследство от военных программ.
Использованные источники:
1. Проблемы ядерного наследия и пути их решения. Том 1. Под общей редакцией Е.В. Евстратова, А.М. Агапова, Н.П. Лаверова, Л.А. Большова, И.И. Линге. — 2012 г.
2. Особые радиоактивные отходы. Под общей редакцией И.И. Линге. — 2015 г.
3. Материалы обоснования лицензии на эксплуатацию действующего ПГЗ ЖРО (полигон «Площадки 18, 18А») филиала «Северский» ФГУП «НО РАО» (г. Северск, Томской обл.), включая материалы ОВОС. Том 1. 2018.
4. Материалы обоснования лицензии на эксплуатацию действующего ПГЗ ЖРО «Опытно-промышленный полигон» филиала «Димитровградский» ФГУП «НО РАО» (г. Димитровград, Ульяновская область), включая материалы ОВОС. Том 1, 2018 г.
5. Материалы обоснования лицензии на эксплуатацию действующего ПГЗ ЖРО — полигона «Северный» филиала «Железногорский» ФГУП «НО РАО» (г. Железногорск, Красноярский край), включая материалы ОВОС. Том 1, 2018 г.
6. Отчет по экологической безопасности НО РАО за 2018 г.
7. Развитие ЕГС РАО в рамках работ по Федеральной целевой программе обеспечения ядерной и радиационной безопасности. А.А. Абрамов и др. Радиоактивные отходы № 1 (6), 2019
8. Железногорск: как происходит закачка ЖРО в геологические горизонты. А.Никитин, Bellona.ru, 2019.
9. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. М.: ИздАт, 1994. 256 с.
10. Глубинная закачка жидких радиоактивных отходов. Презентация НО РАО. Баринов А.С., Ткаченко А.В., Спешилов С.Л.
