Возможности создания опытно

ГОСУДАРСТВЕННАЯ КОРПОРАЦИЯ
ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ «РОСАТОМ»
Открытое акционерное общество
«Ведущий проектно-изыскательский
и научно-исследовательский институт промышленной технологии»
(ОАО «ВНИПИпромтехнологии»)
ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ОПЫТНОПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА ПОДЗЕМНОЙ
ИЗОЛЯЦИИ ОЯТ И ТРО В ТОЛЩЕ
МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
С.Б. КАРАПЕТЯН, П.В. ЛОПАТИН,
В.П. ПАРФЕНОВ, Н.В. ГАРМАШЕВА
2012
1
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.
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
4
Местоположение опытно-промышленного объекта (ОПО)
подземной изоляции
Аэропорт Кепервеем – Билибино – 40 км (шоссейная дорога)
Билибино – порт Зеленый Мыс - 281 км (автозимники) / авиаперелет
Билибино - порт Певек– 370 км (автозимники) / авиаперелет
5
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 ЧаунБилибинской 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;
 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.
6
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.
Основные радионуклииды, определяющие радиоактивность ТРО:
60Co
(80%); 54Mn; 51Cr.
9
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
ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫБРАННОГО УЧАСТКА ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ
ИЗОЛЯЦИИ (вариант I)
•
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
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
Распространение и глубины залегания ММГП на территории России (слева), районы в зоне
мерзлоты (справа): Якутия (4), север Дальнего Востока (5)
17
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.)
Минимальная (А), наиболее вероятная (Б) и максимальная (В) глубины таяния ММГП
на территории России для различных моделей климатических условий 2050 г.
- район Билибино
18
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)
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
19
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.
Расчет температурного режима при захоронении в
Расчет температурного режима при захоронении в
вертикальных скважинах, расположенных по сетке 6х7 с горизонтальных выработках, расположенных на глубине
шагом 20 метров.
около 150 м длиной 165 м каждая с шагом 20 метров.
20
Результаты анализа теплофизических и термомеханических режимов
при размещении ОЯТ в пункте глубинного захоронения в районе БиАЭС
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 массива
4. Время существования зоны таяния в массиве пород – 80 лет
5. 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
21
Основные технико-экономические показатели
(в зависимости от вариантов размещения ОЯТ и ТРО)
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
скважинный штольневой
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.
22
Категорийность опытно-промышленного объекта
по условиям надежности и безопасности
Уровень ответственности зданий и
сооружений, характеризуемый
экономическими, социальными и
экологическими последствиями отказа
при эксплуатации
Класс ОПО подземной изоляции ОЯТ и
РАО по влиянию на безопасность
- II (нормальный, ГОСТ Р54257-2010).
- 3 (сооружения, содержащие радиоактивные вещества, выход которых в
окружающую среду при отказах превышает
значения, установленные в соответствии с
нормами радиационной безопасности (ОПБ -
Категория по потенциальной
радиационной опасности
Категория сейсмостойкости сооружений
ОПО
88/97).
– III (радиационное воздействие при
проектной аварии ограничивается
территорией ОПО, ОСПОРБ-99/2010,
п.3.1.4)
- II (сооружения сохраняют
работоспособность после прохождения
землетрясения, соответствующего
проектному землетрясению (ПЗ)
включительно, НП-031-01)
23
Заключение
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 опытнопромышленного 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
24
В выполнении работ по госконтракту принимали участие:
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 научнопроизводственное 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».
25
Спасибо за внимание!
26