Касимов А.М. и др. Современные проблемы и решения в системе управления опасными отходами

Подождите немного. Документ загружается.

- 211 -

основание ПСОД грунтов как основные признаки классификации

природных условий.

В конструктивном исполнении основными элементами ПСОД

являются:

– чаша, образуемая рытьем котлована (при уровне грунтовых вод

более 4 м от его дна) или отсыпкой на спланированной площадке

дамб обваловки (при уровне грунтовых вод менее 4 м);

– противофильтрационный экран по дну и внутренним склонам

чаши;

– многослойный гидроизоляционный экран, перекрывающий

заполненную отходами дезактивации чашу секции и

предотвращающий поступление внутрь секции атмосферных

осадков.

Гидроизоляционный экран включает в себя (снизу вверх):

– газодренажный слой из крупнозернистого песка (гравия, отсева,

щебня) для отвода образующихся при гниении органики газов.

Мощность слоя 0,5 м в центре и сходит на нет на периферии. В

замке слоя укладывается керамическая дренажная труба. Этот слой

выполняет также функции капилляропрерывающего и

противоинтрузионного;

– гидроизоляционный слой мощностью 0,5 м из глинистого

материала с коэффициентом фильтрации не более 0,003 м/сут,

укладываемый послойно и предотвращающий поступление

дождевых и талых вод внутрь секции ПСОД;

– дренажный слой (0,3 м) из крупнозернистого песка (отсева, гравия)

с коэффициентом фильтрации не менее 5 м/сут для отвода

атмосферных осадков с поверхности секции ПСОД, который

выполняет также роль капилляропрерывающего и

противоинтрузионного слоя. В этот слой выводятся концы

газодренажной трубы;

– почвенный слой (0,3 м) создается из снятого ранее грунта при

подготовке площадки. Для предотвращения эрозии проводится

посев многолетних трав.

Выделены два основных типа секций ПСОД:

– Тип І – приповерхностный, для складирования отходов

дезактивации в супесях и песках (коэффициент фильтрации более

0,1

м/сут) при уровне грунтовых вод более 4 м относительно

подошвы секции. Конструктивно секции ПСОД выполняются в

следующем виде:

–

котлован глубиной до 3,5 м;

–

противофильтрационный экран из глины и суглинка;

–

верхний многослойный гидроизоляционный экран.

– Тип II – поверхностный, уровень грунтовых вод 1,5-4 м от дневной

- 212 -

поверхности. Основание – пески, супеси, подстилаемые

суглинками или глинами. Коэффициент фильтрации более 0,1

м/сут. Конструкция секции ПСОД состоит из:

–

чаши, образуемой отсыпкой дамб обваловывания из местного

грунта на предварительно спланированной площадке;

– противофильтрационного экрана из глины или суглинка;

–

верхнего многослойного гидроизоляционного экрана;

–

водоотводной канавы, обеспечивающей сбор стока воды с

поверхности секции и предотвращающей аварийный подъем

уровня грунтовых вод в период интенсивных атмосферных

осадков.

ПСОД являются технически сложными, трудоемкими и

дорогостоящими объектами строительства. Такие сооружения следует

применять на территориях с неблагоприятными характеристиками

подстилающих грунтов и для захоронения вторичных отходов, которые

образуются после переработки с целью сокращения объемов

захораниваемых отходов и уменьшения площади отводимых земель под

строительство ПСОД.

Под термином «глубинное хранилище радиоактивных отходов» (ГХ

РАО) предлагается понимать комплекс горно-инженерных сооружений

шахтного типа длительной эксплуатации (100лет и более), пройденных в

водонепроницаемом массиве кристаллических пород, на верхних

горизонтах которого будут расположены хранилища РАО (глубины 700-

900

м), а на нижних горизонтах – могильники РАО (глубины 900-1000м).

Идея глубинного захоронения РАО с целью их полной изоляции от

биосферы кажется очевидной и не требует особых доказательств:

глубинные могильники создаются в США, Швеции, Канаде, Китае и др.

странах.

После Чернобыльской катастрофы геологи Украины в поисках

варианта размещения глубинного хранилища РАО обратили свое внимание

именно на территорию Чернобыльской зоны отчуждения (ЧЗО). Здесь

сосредоточены преобладающие объемы РАО, подлежащие удалению в

глубинное хранилище, кроме того – это единственная ненаселенная

территория в Украине, где сооружение глубинного хранилища не вызовет

того социального протеста, которого следует ожидать в любом другом

населенном регионе.

В 1999 г. в рамках международного проекта «Кассиопея», в котором

принимали участие и специалисты НТЦ КОРО, были выделены два

перспективных участка, пригодных для сооружения глубинного

хранилища: ст. Толстый Лес и водораздел рр. Жерев и Норин. В развитие

этого направления поисков перспективных участков в 2005 г. Научно-

инженерным центром радиогидрогеоэкологических полигонных

исследований НАНУ под руководством академика В.М. Шестопалова

- 213 -

предложены как наиболее перспективные участки Вереснянский и

Толстолесовский.

Вереснянский участок. Массив гранитов с глубиной залегания

кровли 150-250 м (за юго-западной границей ЧЗО, между селами

Вересня и Волчков).

2. Толстолесовский участок. Докембрийский массив гранитоидов

осницкого и кировоградско-житомирского комплексов с глубиной

залегания кровли 300-400 м (запад ЧЗО, водораздел рек Рудявка-

Сахан и Рожава, вблизи ж. д. станции Толстый Лес).

НТЦ КОРО предлагает рассматривать на равных третий вариант

размещения глубинного хранилища, приуроченный непосредственно к

строящемуся комплексу производств «Вектор».

Площадка КП «Вектор» размером 4×6 км расположена на

водоразделе р. Припять и Ужа в 5 км западнее с. Чистогаловка и в

км к З-ЮЗ от ЧАЭС.

Условия по геологическим критериям безопасности

(

гидрогеологическим, тектоническим, сейсмическим, геохимическим) на

всех трех участках являются сходными, и оценить их можно, в целом, как

приемлемые для сооружения глубинного хранилища. Основное отличие

участков заключается в разной глубине залегания кровли массива

кристаллических пород, которая изменяется в среднем от 200 м на

Вереснянском участке до 400 м на Толстолесовском участке и, возможно,

до 500 м на участке «Вектор» (рис. 3.34).

Рис. 3.34. Схема расположения участков предполагаемого

размещения ГХ РАО

Поскольку оптимальными глубинами для размещения РАО следует

считать интервал глубин 700-1000 м, этот критерий выбора – глубина

залегания кровли – не должен быть ведущим. На глубине 700-1000 м

хранилище РАО будет в равной степени безопасно во всех трех вариантах

размещения глубинного хранилища.

- 214 -

Опыт практической работы в урановых и железорудных шахтах на

глубинах от 300 м до 1500 м позволяет утверждать, что уже на глубине в

100

м от кровли кристаллического массива типа докембрийских

мигматитов, кировоградско-житомирских калиевых гранитоидов и

гранитов-рапакиви в скальных породах трещиноватость практически

отсутствует.

Горные выработки, пройденные в гранитоидах на глубине 300 м, не

отличаются по устойчивости от выработок, пройденных на глубине

1100

м: в обоих случаях выработки отлично «стоят» 30-40 лет в абсолютно

сухом состоянии и без каких-либо видимых изменений стенок и

потолочины.

Исходя из этого, главной инженерной задачей при строительстве

глубинного хранилища РАО, независимо от выбранного места его

расположения, является обеспечение надежной гидроизоляции ствола

шахты до его вхождения в массив безводных гранитоидов.

Планируемые эксплуатационные горизонты ГХ: 700 м, 730 м, 760 м,

790

м, 820 м, 850 м, 880 м, 910 м, 940 м, 970 м и 1000 м. Проходку и

разведочное развитие горизонта от ствола следует начинать с самого

нижнего этажа, вовлекая в разведку и эксплуатацию новые горизонты по

мере производственной необходимости.

На первый план в условиях выбора среди трех примерно равных

участков-претендентов выступает экономическая составляющая как

стоимости собственно сооружения хранилища, так и стоимости всего

периода его длительной эксплуатации. Преимущества площадки КП

«Вектор» представляются очевидными и заслуживающими внимания

специалистов и экспертов:

Оптимальными условиями для размещения глубинного хранилища

РАО в Украине являются:

Наличие массива непроницаемых пород на глубине 500-1000 м;

Принадлежность к ближней (10 км) зоне ЧАЭС;

Расположение устья шахты на водораздельной части рельефа;

4. Минимальный путь транспортирования от ЧАЭС.

Накопление средств, достаточных для сооружения в Украине ГХ,

может растянуться на многие годы, что может поставить под сомнение

актуальность принятия и государственной программы создания ГХ.

Единственным выходом из такой ситуации представляется развитие

сотрудничества с европейскими структурами, призванными решать

аналогичные задачи.

Наиболее подходящей территорией для размещения глубинного

хранилища РАО в Украине является 10-км зона отчуждения ЧАЭС.

На этой территории государством уже создается уникальный

комплекс производств по сортировке, сжиганию, компактированию,

хранению и приповерхностному захоронению РАО – КП «Вектор».

- 215 -

В силу естественно-природных условий геологический массив

гранитоидов-рапакиви под ЧАЭС и, особенно, западнее станции, является

вполне пригодным для создания в недрах под площадкой КП «Вектор»

полноценного глубинного хранилища и могильника для ВАО и

долгоживущих РАО.

Выполнение статьи 17 Закона Украины об обращении с РАО и

Государственной программы обращения с РАО требует обязательного

захоронения ВАО и ДС РАО в стабильных геологических формациях, к

которым в полной мере принадлежит глубинный массив гранитоидов Зоны

отчуждения ЧАЭС.

При демонтаже ряда графитовых реакторов промышленного и

энергетического назначения, выработавших свой ресурс, возникает

проблема обращения с большим (1-2 тыс. т с каждого реактора)

количеством отходов отработавшего графита [3].

Одним из видов отходов являются так называемы «просыпи» –

графит, загрязненный целым рядом радионуклидов, среди которых могут

быть

С, фрагменты топливной композиции (уран, плутоний и др.

трансурановые элементы), осколки деления ядерного топлива, попавшие в

кладку реактора в результате различных происшествий, связанных с

разгерметизацией ТВЭЛов.

Одним из возможных способов кондиционирования такого графита

является переработка его в карбидооксидную матрицу в режиме

самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

В основе метода лежит экзотермическая реакция:

2 2 3

4 3 3 ( ) 2 3 1140Al TiO C

графит Al O TiC КДж

+ + → + +

(3.1)

Процесс осуществляется следующим образом: измельченные отходы

графита смешиваются с порошкообразными Al и TiO

, полученную шихту

загружают в тигель-контейнер с внутренней теплоизоляцией. Затем в

шихте с помощью внешнего теплового импульса возбуждают процесс

СВС. После прохождения реакции во всем объеме шихты и остывания

формируется цельный матричный блок, структурообразующими фазами

которого являются TiC и Al

Процесс характеризуется следующими параметрами: скорость

распространения волны горения – порядка нескольких мм/с, Т

макс

во

фронте горения 2000-2300°С, аэрозольный унос компонентов шихты 0,02-

0,1%

масс. Установлено, что физические свойства конечного продукта

СВС-процесса зависят от состава шихты и дисперсности ее компонентов.

Механическая прочность на сжатие – до 40 МПа, плотность – до 2,2 г/см

открытая пористость – 50%.

Для изучения поведения радионуклидов в ходе процесса СВС и

состояния в конечном продукте использовали графит, загрязненный

растворами нитратов цезия-137 и стронция-90. Для моделирования

- 216 -

поведения ядерного топлива в шихту вводили природный уран (в виде

). Унос радионуклидов с аэрозольной фазой составил 3-9% (от

изначально введенного их количества) для цезия и стронция введенного их

количества) для цезия и стронция, и порядка тысячных долей % для урана.

Проведено исследование структуры и свойств карбидооксидных

матриц конечных продуктов СВС-процесса, полученных при различных

вариациях составов шихты. Определены добавки к исходной шихте,

обеспечивающие снижение уноса радионуклидов в ходе СВС-процесса и

улучшение водоустойчивости конечного продукта.

Проблему захоронения РАО решают во всех странах, использующих

ядерную энергию. Однако пока еще не разработаны методы,

гарантирующие целостность хранилищ на протяжении сотен тысяч лет. В

настоящее время захоронение РАО в стабильных геологических

формациях – единственная реально осуществимая технология изоляции

этих опасных материалов от биосферы.

Поэтому выбор участка с геологической средой, способной

гарантировать долгосрочную изоляцию радионуклидов, является

ключевым моментом обеспечения безопасности будущего могильника. В

такой сложной системе, как могильник, загрязнение ОПС может оказаться

следствием длинных цепочек событий и процессов, причем факторами,

инициирующими всю цепочку, выступают не только существующие

геологические условия, но и техногенные причины.

При подземной изоляции РАО основной технологической нагрузкой

является тепловыделение, которое ухудшает прочностные и меняет

фильтрационные характеристики массива пород, существенно влияет на

размеры и конструктивные особенности захоронения. Мероприятия по

снижению температуры в могильнике требуют дополнительных

материальных затрат.

В этой ситуации использование геологической среды, способной

эффективно отводить избыточное тепло за счет особых теплофизических

свойств может быть возможным решением проблемы. Из горных пород

наибольшей теплопроводностью отличается каменная соль. Это свойство

каменной соли взято за основу в работе [4].

К преимуществам каменной соли как среды захоронения РАО

относятся:

– низкая пористость и проницаемость;

– оптимальные гидрогеологические условия (отсутствие циркуляции

воды в теле соляного купола);

– пластичность, которая при действующем под землей давлении

препятствует образованию трещин и расселин;

– стабильность, о чем свидетельствует возраст эвапоритовых

месторождений;

– широкая распространенность месторождений каменной соли.

- 217 -

К настоящему времени немалую долю среди РАО занимают отходы

в виде загрязненных радионуклидами грунтов. Эти РАО отличаются

непостоянством химического и радионуклидного состава, а также

многокомпонентностью, могут содержать фрагменты строительных

материалов, металл, органическую составляющую и проч.

Термохимический метод для переработки таких РАО предложен как

альтернативный способ, когда известные методы оказываются

малоэффективными или неприменимы. Он основан на использовании

энергии экзотермических окислительно-восстановительных смесей (ОВС),

состоящих из компонентов восстановителей и окислителей [5].

Способ заключается в следующем. РАО смешивают с компонентами

ОВС и загружают в тигель-контейнер. В смеси, посредством теплового

импульса, инициируют окислительно-восстановительные реакции, в

результате которых происходит выделение тепла, достаточного для

получения расплава из всех компонентов смеси.

После завершения реакций происходит охлаждение расплава до

получения устойчивого монолитного продукта. Все компоненты

реакционных смесей находятся в твердом порошкообразном состоянии,

включая и радиоактивные отходы. Полнота прохождения

термохимического процесса в реакционных смесях зависит от степени

дисперсности компонентов, от присутствия органических примесей, а

также от других факторов. Процесс реализуется в тигле, который, в

последующем, служит контейнером для длительного хранения конечного

продукта переработки.

Ликвидация хранилищ РАО с очисткой загрязненных грунтов и

последующей рекультивацией местности является в настоящее время

актуальной проблемой. Авторами [5,6] разработана технология,

позволяющая решить эту проблему путем переработки загрязненного

грунта. Его очистку проводят методом гравитационного разделения и

оценивается по коэффициенту дезактивации и по уровню остаточной

активности грунта. Твердые РАО, получаемые после очистки, направляют

на захоронение.

В технологии предусмотрены следующие этапы:

Равномерная подача грунта с системой пылеподавления,

Получение однородной почвенной суспензии путем

дезинтеграции и отделения крупной фракции,

Сепарация суспензии, позволяющая получить:

– очищенные песковые фракции (крупностью более 0.1 мм),

– мелкодисперсные минеральные, органические и

органоминеральные фракции, содержащие 0,5-2,5% твердого,

подаваемые на сгущение и фильтрацию,

Сгущение и обезвоживание суспензии, содержащей

мелкодисперсные высокоактивные фракции, а также выделение

- 218 -

оборотной воды из продуктов сепарации для повторного

использования.

Удаление обезвоженного продукта, содержащего радионуклиды в

сертифицированные контейнеры.

Все работы организованы таким образом, чтобы исключить пыление,

пролив активных растворов и образование радиоактивных аэрозолей.

Технология дезактивации почв, загрязненных радиоактивными

веществами, разработанная во ВНИИНМ (РФ), позволяет выделить из почв

загрязненную фракцию и вернуть в природохозяйственную деятельность

до 90% грунта.

Литература к подразделу 3.2

1. Касимов А.М., Семенов В.Т., Романовский А.А. Промышленные

отходы. Проблемы и решения. Технологии и оборудование. – Х.:

ХНАГХ. 2007. 412 с.

Мазилов А.В., Сосипатров М.В., Колосенко В.В. Современные

представления о причинах аварии на ЧАЭС и послеаварийное

обследование реактора. Доклад. Национальный научный центр

Харьковский физико-технический институт». – Х.: 2008.

Юрченко А.Ю., Карлина О.К., Павлова Г.Ю. Исследование

возможности переработки просыпей облученного графита в

режиме самораспространяющегося высокотемпературного

синтеза. Сборн. тез. докл. Ш Всеросс. научн. Конф. по

фундаментальным проблемам радиохимии и атомной энергетики.

–

Н. Новгород. 2004. С. 39.

Киреева О.А. Геоэкологические аспекты захоронения

радиоактивных отходов в соляных куполах. Сборн. тез. докл. Ш

Всеросс. научн. Конф. по фундаментальным проблемам

радиохимии и атомной энергетики. – Н. Новгород. 2004. С. 52.

Осташкина Е.Е., Варлакова Г.А., Карлина О.К. Термохимическая

переработка загрязненных радионуклидами грунтов. Влияние

физических характеристик грунта на параметры процесса. Сборн.

тез. докл. Ш Всеросс. научн. Конф. по фундаментальным

проблемам радиохимии и атомной энергетики. – Н. Новгород.

2004.

С. 65.

Чеботарев А.С. Технология дезактивации почв, загрязненных

радиоактивными веществами. Сборн. тез. докл. Ш Всеросс. научн.

Конф. по фундаментальным проблемам радиохимии и атомной

энергетики. – Н. Новгород. 2004. С. 78.

- 219 -

РАЗДЕЛ 4

ГОРНОДОБЫВАЮЩИЙ КОМПЛЕКС. ОБРАЗОВАНИЕ,

ПЕРЕРАБОТКА, УТИЛИЗАЦИЯ И СКЛАДИРОВАНИЕ

ОТХОДОВ

Охрана ОПС стала в последние годы приоритетным направлением

естественнонаучных, философских, экономических, юридических

исследований, технических и технологических разработок. Природная

среда подразделяется на специфические среды: биологическую,

геологическую, антропогенную (техногенную), гидрографическую,

атмосферную и др., влияние которых друг на друга и природу в целом не

нуждается в комментариях. Несмотря на важность общего состояния ОПС,

определяющим является состояние отдельных специфических сред,

поскольку их влияние на ОПС неодинаково.

Может показаться, что геологическая среда относится к отдаленным

факторам воздействия на окружающую человека природу. Однако такой

вывод был бы ошибочным, т.к. мощность (глубина) геологической среды

измеряется от земной поверхности до глубин проникновения человека в

недра, т.е. на глубину геофизических исследований.

Естественно предположить, что более сильным непосредственным

воздействием на природу обладают приповерхностные факторы, но это

будет неверно, т.к. природные явления геологического происхождения

характеризуются глобальностью процессов и всеобъемлющим спектром

взаимодействия с остальными природными факторами.

Влияние геологической среды на другие сферы ОПС проявляется в

виде землетрясений, оползне- и оврагообразования, неотектонических и

горообразовательных процессов. Добыча из земных недр полезных

ископаемых, их обогащение и переработка, накопление образующихся при

этом ПО приводят к глобальному загрязнению ОПС, накоплению на

земной поверхности гигантских объемов отходов, изменяющих

ландшафты, уничтожающих плодородный слой почвы, загрязняющих

поверхностные и грунтовые воды и т.д.

Современный экономический рост в Российской Федерации

сопровождается развитием многих отраслей промышленности, в том числе

строительной, химической, пищевой, деревообрабатывающей и др.

Средний рудник сбрасывает на рельеф около 1000 м

/ч сточных вод с

высокой степенью минерализации. В целом горные предприятия РФ по

добыче черных и цветных металлов извлекают на поверхность более

1,3

млрд. м

загрязненных сточных вод в год. Потребляется предприятиями

цветной металлургии около 1,2 млн. м

/год пресной воды.

В РФ в 1996 г. загрязнение воды в объеме 625,6 млн. м

сбрасывали

257

предприятий угольной отрасли. Хотя в этой отрасли функционирует

- 220 -

около 400 очистных сооружений, предприятия сбрасывают в

поверхностные водоемы в среднем около 81% загрязненных и требующих

очистки сточных вод. Горная промышленность является существенным

ускорителем процесса обмена газообразными продуктами техногенной

деятельности и недрами планеты, так как в процессе добычи минерального

сырья реализуются технологии, связанные с освобождением огромных

масс газов (как природных, так и техногенных).

При добыче угля на шахтах СНГ выделяется до 15 млрд. м

/год

метана, по шахтам России — около 7,5 млрд. м

/год,

с одновременным

выделением свыше 20 млрд. м

/год углекислого газа.. В результате

содержание метана в атмосфере увеличивается на 1% в год, что создает

дисбаланс между объемами его выделения и разрушения. С экологической

точки зрения большую тревогу вызывают и такие газовые отходы

технологического производства, как сернистый газ и другие соединения

серы, оксиды углерода и азота, составляющие в сумме свыше 1 млрд.т/год.

При проветривании рудников в атмосферу попадают взвешенные

частицы пыли размером менее 2 мкм, доля которых достигает 50%. На 1 м

добытой руды приходится 0,2 кг пыли и 40 дм

условного диоксида

углерода. Интенсивность выпадения пыли достигает фоновых величин

только на расстоянии 3-10 км от источника. Угольная промышленность РФ

выбрасывает в атмосферу 593-600 тыс. т/год вредных веществ.

В различных геологических, географических, экономических и др.

ситуациях воздействие на геологическую среду оказывают различные

факторы, но чаще всего – их совокупность. Производственная

деятельность человека на территории Украины, особенно интенсивная со

второй половины ХХ в. и в начале текущего, способствует созданию

техногенного загрязнения, для которого характерно:

– - скопление массы разнообразных ПО в районах активной

горнорудной, химико-металлургической, строительной,

угледобывающей деятельности;

– размещение ПО с определенной неравномерностью. В крупных

промышленных центрах, горнорудных и углепромышленных

районах накоплены значительные количества вскрышных,

вмещающих, шахтных пород, металлургических и энергетических

шлаков, отходов обогащения (Кривбасс, Донбасс,

Днепродзержинск, Запорожье, Днепропетровск, Кременчуг,

Львовско-Волынский бассейн и др.), что иллюстрируется картой

техногенной нагрузки на территорию Украины (рис. 4.1) [1];

– сочетание нескольких типов техногенного воздействия, что

приводит к усложнению экологической обстановки в

промышленных центрах (оползни в Черновцах, Днепропетровске,

Киеве, газовые выбросы в Донбассе, провалы и проседания земной

поверхности в Енакиево и др. городах Донбасса);