ГОСУДАРСТВЕННАЯ КОРПОРАЦИЯ ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ «РОСАТОМ»

Открытое акционерное общество«Ведущий проектно-изыскательский

и научно-исследовательский институт промышленной технологии»

(ОАО «ВНИПИпромтехнологии»)

ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА ПОДЗЕМНОЙ

ИЗОЛЯЦИИ ОЯТ И ТРО В ТОЛЩЕМНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД

С.Б. КАРАПЕТЯН, П.В. ЛОПАТИН, В.П. ПАРФЕНОВ, Н.В. ГАРМАШЕВА

20121

ВВЕДЕНИЕ

1. Требования Федерального закона №190 «Об обращении с радиоактивными отходами…» – захоронение ВАО и долгоживущих САО в глубоких геологических формациях

2. Политика Госкорпорации «Росатом» в области обращения с ОЯТ – переработка ОЯТ и возврат в ядерный топливный цикл регенерированных ядерных материалов

3. Отраслевая концепция постулирует для всех типов ОЯТ АЭС технологические схемы, предусматривающие хранение и пеработку ОЯТ.

4. Исключение – ОЯТ БиАЭС; для него не разработана технологическая цепочка обращения с ОЯТ при выводе АЭС из эксплуатации

5. В рамках ФЦП ЯРБ проработан вариант обращения с ОЯТ – создание пункта окончательной изоляции РАО и ОЯТ (скважинного или штольневого типа) в районе размещения БиАЭС

2

БИЛИБИНСКАЯ АЭС(КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА)

БиАЭС состоит из четырех одинаковых энергоблоков общей электрической мощностью 48 МВт.Оснащение энергоблока - канальный водографитовый ядерный реактор ЭГП-6.Пуск первого блока БиАЭС - 12 января 1974 года, четвертого– 30 декабря 1976 года. Проектный срок эксплуатации - около 30 лет . Оценочный срок, при модернизации с проведением необходимых технических мероприятий, - 40-45 лет (до 2019-2020 годов).5. Хранение ОЯТ - в приреакторных бассейнах выдержки.

3

Цель создания опытно-промышленного объекта (ОПО) подземной изоляции ОЯТ и РАО в зоне размещения

Билибинской АЭС

Экологически безопасное и экономически приемлемое окончательное удаление в глубокие геологические формации накопленного за весь период эксплуатации Билибинской атомной станции облученного ядерного топлива, твердых радиоактивных и кондиционированных жидких радиоактивных отходов.

4

Требования к опытно-промышленному объекту (ОПО) подземной изоляции ОЯТ и РАО в зоне размещения

Билибинской АЭС

Обеспечение экологически безопасной, технологически надежной и экономически приемлемой изоляции ОЯТ и ТРО Билибинской АЭС на весь срок их потенциальной опасности

Местоположение опытно-промышленного объекта (ОПО) подземной изоляции

5

Аэропорт Кепервеем – Билибино – 40 км (шоссейная дорога)

Билибино – порт Зеленый Мыс - 281 км (автозимники) /

авиаперелет

Билибино - порт Певек– 370 км (автозимники) / авиаперелет

Факторы, определяющие специфичность Билибинской АЭС:

только на БиАЭС используются реакторы типа ЭГП-6; всё ОЯТ хранится в приреакторных бассейнах выдержки (БВ). БиАЭС является основным источником электроэнергии в

изолированной Чаун-Билибинской энергосистеме и единственным источником тепла в системе теплоснабжения гор. Билибино и собственно АЭС;

станция расположена в отдаленном, малонаселенном районе страны, в зоне заполярной тундры с вечномерзлой почвой;

район в целом не имеет стабильных транспортных коммуникаций с остальной частью страны — все перевозки осуществляются морским транспортом через порты Певек и Зеленый Мыс в течение периода навигации и по зимникам от портов до гор. Билибино;

6

регион отличается экстремальными климатическими условиями: 8-9 месяцев зимы, чрезвычайно низкая, до минус 50 °С и ниже, температура воздуха зимой, сильные и длительные зимние метели и пурга.

Концепция изоляции ОЯТ и ТРО в многолетнемерзлых породах

В начале 1990-х годов ОАО «ВНИПИпромтехнологии» была разработана концепция использования многолетнемерзлых горных пород (ММГП) в качестве геологической формации для подземной локализации РАО.

Концепция была рассмотрена и одобрена Госкомприроды СССР, Гоcпроматомнадзором, 3-им Управлением Минздрава СССР, Радиохимической секцией НТС Минатомэнергопрома СССР и другими специализированными организациями.

7

Основные положения концепции изоляции ОЯТ и ТРО в многолетнемерзлых породах

Отсутствие во вмещающей геологической среде воды в свободном состоянии, что препятствует возможности миграции радионуклидов из могильника в окружающую среду.

Замедление течения окислительно-восстановительных реакций в ММГП, что увеличивает время работоспособности инженерных барьеров.

Природный холод - как естественный теплофизический барьер.Характерное время существования зоны оттаивания - несколько

десятков лет. Последующее замораживание всего рабочего объема могильника и

восстановление средних температур ММГП. Перенос радионуклидов из рабочего объема пункта изоляции - лишь

в форме диффузии, что при отсутствии водообмена в условиях многолетней мерзлоты не приведет к загрязнению окружающей среды ввиду чрезвычайно малых скоростей протекания этого процесса.

Работоспособность инженерных барьеров обеспечивает локализацию области возможного распространения радионуклидов из могильника в течение периода оттаивания.

Вывод: Геологические и геокриологические условия в районе расположения Билибинской АЭС соответствуют концепции захоронения ОЯТ и РАО в ММГП.

8

Количество ТРО, образованных на БиАЭС к началу вывода из эксплуатации (за 40 лет)

ВСЕГО:•ТРО – 17542 м³, в том числе:- облученный графит – 1254,5 т;- эксплуатационные РАО – 10800 м³;- РАО от вывода из эксплуатации – 9450 м³ (оценка);•ЖРО ~ 1000 м³.

ЕЖЕГОДНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ТРО и ЖРО (отвержденные): •ТРО ~ 270 м³, в том числе:- I группы (НАО) - 200 м³;- II группы (НАО) - 50 м³;- III группы (НАО) - 20 м³;•ЖРО (отвержденные) ~ 25 м³.

9

Основные радионуклииды, определяющие радиоактивность ТРО:

60Co (80%); 54Mn; 51Cr.

Количество ОЯТ, образованных на БиАЭС к началу вывода из эксплуатации (за 40 лет)

ВСЕГО:

•8200 штук отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС)

ПЛАНИРУЕМОЕ ЕЖЕГОДНОЕ ПОСТУПЛЕНИЕ ОТВС НА ОБЪЕКТ ПОДЗЕМНОЙ ИЗОЛЯЦИИ:

•420 ОТВС / 672 ОТВС (60 ЧДХ / 96 ЧДХ)ПЛАНИРУЕМЫЙ СРОК ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЪЕКТА ПОДЗЕМНОЙ ИЗОЛЯЦИИ:

•20 ЛЕТ

10

Требования к размещению ОЯТ и ТРО на объекте окончательной изоляции

•Участок занимает пологую вершину водораздела протяженностью 5 км и шириной 1-2 км, т.е. достаточен для размещения ОПО площадью ~ 30 га и ССЗ - радиусом 500 м;

•Опытно-промышленный объект находится в пределах зоны наблюдения БиАЭС;

•Площадка сложена терригенной формацией триасового возраста, представленной толщей песчаников и алевролитов. Породы трещиноваты до глубины 20-50 м, наибольшая суммарная влажность менее 0,2 ед.;

•глубина сезонного оттаивания – 1,5 м, среднегодовая температура пород на глубине нулевых годовых амплитуд (12 м) минус 5÷7 С, мощность ММГП от 250 до 450 м;

•Температура горных пород на глубине 200 м – минус 2,8 •в соответствии с картами общего сейсмического районирования ОСР-97В

и ОСР-97Д интенсивность проектного землетрясения для грунтов II категории в районе БиАЭС составляет 6 баллов, а максимального расчетного землетрясения (МРЗ) – 8 баллов по шкале MSK-64.

11

ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫБРАННОГО УЧАСТКА ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ (вариант I)

Требования к конструкции могильника и технологии его заполнения ОЯТ и ТРО:

•надежная изоляция ОЯТ и ТРО на весь период их потенциальной опасности;

•ядерная безопасность окончательной изоляции ОЯТ;•радиационная безопасность захоронения ОЯТ и ТРО;•исключение или минимизация проникновения в могильник воды;•устойчивость и безопасность при возникновении природных

катаклизмов;•технологичность строительства при использовании существующих

механизмов и технологий;•унификация размеров упаковок и контейнеров ОЯТ и РАО

различных категорий;•дистанционное управление загрузкой могильников (при

необходимости);•исключение или максимальное затруднение возможности

несанкционированного проникновения в могильник;•применение мультибарьерной инженерной защиты для

исключения распространения радионуклидов за пределы зоны локализации ОЯТ и ТРО

12

Принципиальная конструктивная схема могильника штольневого типа для размещения РАО и ОЯТ

(вариант II)

13

Камера захоронения РАО (НАО, САО, ВАО) в могильнике штольневого типа

14

Выработка захоронения ОЯТ в могильнике штольневого типа

15

Принципиальная схема скважины захоронения ЧДХ с ОЯТ диаметром 450 мм (с ВАО диаметром 486 мм)

16

Изменение термического состояния и деградация многолетнемерзлых пород

17

Распространение и глубины залегания ММГП на территории России (слева), районы в зоне мерзлоты (справа): Якутия (4), север Дальнего Востока (5)

Глубины таяния ММГП для различных моделей климатических условий 2050 г.

(на основе методов прогноза изменения среднегодовой температуры пород на ближайшие 100÷150 лет, разработанных на кафедре геокриологии

Геологического факультета МГУ 2000г.)

18

Минимальная (А), наиболее вероятная (Б) и максимальная (В) глубины таяния ММГП на территории России для различных моделей климатических условий 2050 г.

- район Билибино

Деградация мерзлоты при глобальном потеплении климата к 2050 и к 2110 гг. (Э.Д. Ершов, МГУ, 1997 г)

(по сценарию, предложенному сотрудниками Института Глобального Климата и Экологии РАН (ИГКЭ), согласно которому на территории криолитозоны России к 2100 г. среднегодовая температура приземного слоя воздуха повысится на 4÷8ºC в зависимости от географического положения района)

19

Зависимость времени начала оттаивания ММГП (τ) от их начальной среднегодовой температуры (to) разных трендов потепления климата: 1-∆t =0,045оС/год, 2-∆t =0,06оС/год

 Зависимость прогнозной среднегодовой температуры ММГП (tп ) от их начальной среднегодовой температуры (to) через 50 (1) и 110(2) лет от начала потепления климата с трендом 0,06оС/год

Оценка теплового состояния пункта подземной изоляции при эксплуатации ОПО(температурный режим и параметры ореолов оттаивания вмещающих ММГП рассчитаны на основе решения задачи Стефана)Вывод: Повышение температуры оттаявших пород и образование ореолов оттаивания мерзлых пород вокруг места размещения ОЯТ и тепловыделяющих ТРО не играет существенной роли, поскольку за пределами ореола оттаивания продолжают существовать не фильтрующие и устойчивые в прочностном отношении ММГП.

20

Расчет температурного режима при захоронении в вертикальных скважинах, расположенных по

сетке 6х7 с шагом 20 метров.

Расчет температурного режима при захоронении в горизонтальных выработках, расположенных на глубине около 150 м длиной 165 м каждая с

шагом 20 метров.

Результаты анализа теплофизических и термомеханических режимов при размещении ОЯТ в пункте глубинного

захоронения в районе БиАЭС

21

Выводы:

1. Колебания температуры в северных районах влияют на характер сезонных протаиваний и промерзаний (изменение на 1 градус С на глубине нулевых колебаний 12 - 15 м).

2. Рабочий объем пункта окончательной изоляции сохранен от воздействия экзогенных геологических процессов.

3. Максимальный размер зоны таяния в месте размещения ОЯТ и тепловыделяющих ВАО (пик – 40 лет после загрузки):

15 м – в сторону свободной поверхности; 25 м – в глубину массива4. Время существования зоны таяния в массиве пород – 80 лет5. Сценарий, предложенный сотрудниками Института Глобального

Климата и Экологии РАН (ИГКЭ), предполагает, что , в случае глобального потепления, на территории криолитозоны России к 2100 г. среднегодовая температура приземного слоя воздуха повысится на 4÷8ºC в зависимости от географического положения района

6. Размер зоны таяния с поверхности ( в случае глобального потепления) – не более 60 - 70 м

7. Мощность верхнего охранного целика (100-160 м) достаточна для выполнения условия несмыкания ореола оттаивания в месте размещения ОЯТ и тепловыделяющих ВАО и слоя оттаивания с поверхности

Основные технико-экономические показатели(в зависимости от вариантов размещения ОЯТ и ТРО)

22

Удельные стоимостные показатели варианта 1 поступления

Показатель Вариант размещения

Вариант I Вариант II Удельная стоимость капитальных вложений на 1 м3 РАО, тыс.руб. 218 218

Удельная стоимость изоляции 1 м3 РАО, тыс.руб. 235 235 Удельная стоимость капитальных вложений на 1 ОТВС, тыс.руб. 3310 304

Удельная стоимость изоляции 1 ОТВС, тыс.руб. 4054 374

Удельные стоимостные показатели варианта 4 поступления – ОЯТ (для 96 ЧДХ в год) и сопутствующие ВАО)

Показатель

Тип могильника

скважинны

й

штольнево

й Удельная стоимость капитальных вложений на 1 ОТВС, тыс.руб. 3310 300

Удельная стоимость изоляции 1 ОТВС, тыс.руб. 4054 368 В текущих ценах IV квартала 2011 года.

Категорийность опытно-промышленного объекта по условиям надежности и безопасности

23

Уровень ответственности зданий и сооружений, характеризуемый экономическими, социальными и экологическими последствиями отказа при эксплуатации

- II (нормальный, ГОСТ Р54257-2010).

Класс ОПО подземной изоляции ОЯТ и РАО по влиянию на безопасность

- 3 (сооружения, содержащие радиоактив-

ные вещества, выход которых в

окружающую среду при отказах

превышает значения, установленные в

соответствии с нормами радиационной

безопасности (ОПБ-88/97).

Категория по потенциальной радиационной опасности

– III (радиационное воздействие при проектной аварии ограничивается территорией ОПО, ОСПОРБ-99/2010, п.3.1.4)

Категория сейсмостойкости сооружений ОПО

- II (сооружения сохраняют

работоспособность после прохождения

землетрясения, соответствующего

проектному землетрясению (ПЗ)

включительно, НП-031-01)

Заключение

24

Проблему экологически безопасного и экономически приемлемого окончательного удаления значительных объемов ОЯТ и РАО с Билибинской АЭС, размещенных в настоящее время во временных хранилищах, может решить создание опытно-промышленного объекта подземной изоляции ОЯТ и ТРО в толще многолетнемерзлых пород в зоне размещения Билибинской АЭС.  На основе проведенной комплексной оценки воздействия на окружающую среду намечаемого к строительству опытно-промышленного объекта захоронения ОЯТ и РАО можно сделать вывод, что при выполнении необходимых мероприятий по снижению воздействий на окружающую среду, превышения предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ для всех ингредиентов и групп суммации не ожидается.

Билибинская АЭС – наиболее удаленная от предприятий ЯТЦ. Климатические условия, существующие многие тысячелетия, дают уникальные возможности не только надежной изоляции сравнительно небольшого количества ОЯТ и ТРО, но позволят осуществить создание нового уникального центра (подземной лаборатории) по изучению перспектив геологической изоляции ОЯТ и ТРО в многолетнемерзлых породах

В выполнении работ по госконтракту принимали участие:

25

ОАО «Инженерный центр ядерных контейнеров» ОАО «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский

институт энерготехники» («НИКИЭТ им. Доллежаля») ООО НПФ «Сосны»Федеральное государственное унитарное предприятие «Специальное

научно-производственное объединение «Элерон»«Анюйская горно-геологическая компания»Филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Билибинская атомная станция»

Основание для выполнения работы

Федеральная целевая программа «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2008 год и на период до 2015 года» – п.197 «Повышение безопасности хранения ранее накопленного отработавшего ядерного топлива, подготовка к вывозу накопленного топлива реакторов ЭГП–6 Билибинской АЭС».

Государственный контракт № Д.4ш.21.25.11.1192 (№ 110-1411) от 04.07.2011 г. между ОАО «ВНИПИпромтехнологии» и ГК «Росатом».

Спасибо за внимание!

26