Василий Величкин
Заместитель директора Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, член-корреспондент РАН

В

процессе производства расщепляющихся материалов для атомного оружия и тепловыделяющих сборок для ядерных энергетических установок, переработки облученного ядерного топлива атомных электростанций и транспортных реакторов атомного флота, а также научно-производственной деятельности, связанной с использованием ионизирующих излучений, в России накоплены огромные количества радиоактивных отходов (РАО). Они представляют серьезную экологическую опасность и должны быть надежно изолированы от экосферы.
    По мнению большинства специалистов, с учетом экологической, технологической и экономической целесообразности наиболее эффективным способом изоляции особо опасных высокорадиоактивных отходов является их подземное захоронение. Хотя известны и обсуждаются альтернативные способы удаления — трансмутация долгоживущих радионуклидов, посылка ракет с отходами в космос, погружение тугоплавких контейнеров с ними в мантию земли через расплав, образующийся в результате тепловыделения высокорадиоактивных отходов, сброс контейнеров в глубоководные морские впадины, захоронение в вечные льды Арктики и Антарктики. Но по разным причинам эти варианты в настоящее время не получили поддержки.
    В России хранятся следующие виды РАО:
     - непереработанные жидкие высокорадиоактивные отходы ядерного оружейного производства;
     - жидкие и твердые низко- и среднеактивные отходы, жидкие, отвержденные и твердые высокорадиоактивные отходы (ВАО), возникшие в замкнутом ядерном топливно-энергетическом цикле, при эксплуатации и утилизации транспортных энергетических установок;
     - жидкие и твердые отходы, образующиеся при использовании источников ионизирующего излучения в медицине, научных исследованиях и других областях.
    Наибольшую радиобиологическую опасность представляют жидкие ВАО. Их основными производителями и накопителями являются радиохимические предприятия Минатома РФ, среди которых лидером является ПО «Маяк» (Челябинская обл.).
    Согласно существующим в России нормативным документам и принятой практике, РАО подвергаются кондиционированию, т.е. переводу в пригодные для безопасной локализации формы, а затем подлежат захоронению с соблюдением условий безопасности. Успешно используются достаточно эффективные технологии кондиционирования и захоронения короткоживущих отходов низкого и среднего уровня радиоактивности, которые требуют надежной изоляции в течение первых сотен лет. Жидкие отходы этого уровня активности подвергаются упариванию, цементации, битумированию, иногда остеклованию. Твердые негорючие неметаллические отходы компактируются и иногда цементируются. Твердые металлические переплавляются. Твердые горючие сжигаются, а их зольные остатки цементируются и битумируются. Полученные матричные материалы в большинстве случаев хоронятся размещаются в приповерхностные могильники. Как правило, они сооружены из железобетонных конструкций и размещены в глинах, реже в других породах, обладающих значимыми изоляционными свойствами. Наиболее эффективно технологии безопасной локализации низко- и среднеактивных отходов используются и совершенствуются на предприятиях спецкомбинатов «Радон».
    Практикуется также подземное захоронение жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности. Жидкие отходы закачиваются в водопроницаемые, надежно изолированные пласты песчаников, глубоко залегающие в слоистых толщах осадочных пород. Подземное захоронение осуществляется в России с середины 60-х годов. С помощью этого метода надежно изолировано несколько сот млн м3 отходов. Сейчас успешно эксплуатируются три подобных полигона — Томск-7, Красноярск-26, Дмитровград. Практика показала, что геологические, гидродинамические и гидрохимические характеристики указанных выше полигонов при строгом соблюдении всех технологических режимов их эксплуатации надежно обеспечивают изоляцию жидких радиоактивных отходов на весь срок их токсичности.
    Гораздо более сложными являются проблемы безопасной локализации ВАО. Главными по массе и наиболее токсичными компонентами этих отходов являются тепловыделяющие радиоизотопы 90Sr и 137Cs, периоды полураспада каждого из которых не превышают 30 лет. Небольшую долю объема ВАО (первые проценты) составляют долгоживущие актиниды — U, Pt, Np, Am, Cm, радиобиологическая токсичность которых сохраняется в течение многих тысячелетий. Естественно, что гарантировать надежную безопасность могильников на столь длительный срок весьма непросто. В связи с этим отечественными и зарубежными специалистами разрабатывается так называемая «многобарьерная» стратегия обеспечения безопасности, включающая в систему захоронения инженерные и природныы барьеры: стеклоподобную или кристаллическую минеральную матрицу, иммобилизующую захораниваемые радионуклиды, коррозионностойкий контейнер, буфер-заполнитель из слабопроницаемого сорбционноемкого материала.
    Согласно нормативам МАГАТЭ, жидкие ВАО подлежат переводу в отвержденные формы, которые должны выполнять функции матриц, прочно удерживающих радионуклиды. Изоляционные свойства матриц определяются их растворимостью в воде, а также устойчивостью к воздействию повышенных температур, радиации и механических нагрузок. В промышленных масштабах в качестве матриц ВАО синтезируются стеклоподобные материалы. В зарубежных странах изготавливаются стекла боросиликатного состава, в России — алюмофосфатного. Синтезирование стекол осуществляется при относительно низких температурах, что позволяет минимизировать энергозатраты и переход радионуклидов в газовую фазу.
    Изучение устойчивости алюмофосфатных стекол при воздействии на них подземных вод показало, что скорости растворения стекла при температуре 90оC, принятой для его аттестации, примерно в 2 — 5 раз выше, чем у большинства боросиликатных стекол. В связи с этим очевидна необходимость замены алюмофосфатного стекла более надежными матричными материалами.
    В настоящее время проводятся комплексные исследования по созданию эффективных матричных материалов для иммобилизации ВАО, в которых участвуют специалисты ИГЕМ РАН, МосНПО «Радон», ВНИИНМ им. Бочвара, НПО «Радиевый институт». В ходе экспериментов выяснилось, что наиболее перспективной для синтеза матриц оказалась система CaO-TiO2-REE2O3-ZrO2-MnO, в которой образуются такие изоморфноемкие фазы как цирконолит, перовскит, оксиды со структурой пирохлора, муратаит. Исследованы также кристаллические керамики гранат-бритолитового состава, стеклокерамики на основе сфена и др. Оптимальный состав консервирующей матрицы подбирается в зависимости от состава отходов.
    По мнению специалистов западных стран, одним из главных инженерных барьеров в системе изоляции могильников является контейнер. В качестве исходных материалов для изготовления рекомендуются нержавеющая сталь, медь, титан, сплавы циркония, коррозионностойкий чугун.
    В России для разливки алюмофосфатного стекла в ПО «Маяк» применяются контейнеры из обычной стали с толщиной стенок в 3 см. По три контейнера с застывшим радиоактивным стеклом упаковываются в один пенал из нержавеющей стали. После соответствующей выдержки пеналы могут направляться на подземное захоронение. Экспериментально показано, что подобная упаковка остеклованных ВАО способна обеспечить изоляцию токсичных компонентов на достаточно ограниченный срок.
    В качестве слабопроницаемых и сорбционноемких материалов, которые должны заполнять пространство между захораниваемыми контейнерами и стенками вмещающих их ячеек, рекомендуется использовать бентониты и цеолиты. Экспериментально изучено влияние на сорбционные свойства этих минеральных веществ высоких температур и давлений, отвечающих предполагаемому режиму существования могильников.
    Наличие природных геологических обстановок, в которых месторождения урана и тория, сульфидных полиметаллических руд, нефти, газа, минеральных вод и других полезных ископаемых находятся в состоянии полной изоляции от экосферы и в течение многих миллионов лет сохраняют свой первичный минерально-химический состав и структуру, является серьезным аргументом в пользу принципиальной возможности безопасного подземного захоронения ВАО в геологических формациях. Наиболее близкими аналогами подземных захоронений высокорадиоактивных отходов являются урановые месторождения Стрельцовского рудного поля в Забайкалье.
    Огромные периоды полураспада входящих в ВАО трансурановых элементов определяют необходимость надежной изоляции систем захоронения этих отходов на сроки, сопоставимые с геологическим временем. Естественно, что гарантировать безопасность могильников ВАО на столь продолжительное время практически не представляется возможным. За рубежом, в частности, в США, существуют нормативные требования, согласно которым необходимая изоляция захоронений высокорадиоактивных отходов должна обеспечиваться на срок не менее чем 10 тыс. лет. Но для разработки системы безопасности могильников даже на такой относительно малый по геологическим меркам отрезок времени, а тем более на большие сроки, требуются не только исходные данные о ВАО и геологической среде захоронения, но также информация о функционировании будущей системы во времени и в различных условиях. Для этого необходимо:
     - реально оценить и дать прогноз развития процессов, протекающих внутри захоронений ВАО и в окружающей их геологической среде при нормальных режимах существования могильников;
     - проанализировать и спрогнозировать вероятность проявления и последствия аварийных и катастрофических ситуаций, при которых произойдет нарушение целостности могильников и нежелательно изменятся свойства и состояние вмещающей геологической среды.
    Такая информация может быть получена с помощью компьютерного моделирования процессов и ситуаций и особенностей их проявления при различных условиях. С этой целью, как показывает анализ зарубежного опыта, целесообразно создание базового сценария развития событий, которые могут быть предсказаны на основе исходных данных. В рамках сценария разрабатываются математические модели отдельных барьеров и интегральная прогнозная модель функционирования всей системы защиты могильников. На основе результатов моделирования выявляются основные параметры, влияющие на безопасность системы захоронения ВАО, затем проводятся исследования по уточнению их граничных значений и оцениваются радиационные последствия захоронения. Исходя из основных параметров базовой модели, разрабатываются альтернативные варианты развития событий, которые дополняются элементами, имитирующими возмущение, предполагаемое альтернативным сценарием. В прогнозных оценках обычно за основу принимается схема наиболее неблагоприятного развития событий.
    Главная задача, которая должна решаться при подземном захоронении ВАО, состоит в том, чтобы на период потенциальной опасности радиоактивных веществ исключить возможность их проникновения в экосферу в количествах, угрожающих здоровью населения и экологически безопасному состоянию окружающей среды. Единственным реальным барьером, способным обеспечить длительную изоляцию радиоизотопов, является геологическая среда. В этом качестве она должна характеризоваться ничтожной гидравлической проницаемостью, высокой механической, тепловой и радиационной устойчивостью, наличием в своем составе минералов, сорбционноемких в отношении радионуклидов, сохранением изоляционных свойств при высоких температурах и давлении, возникающих в зоне могильников. Помимо геологических условий, существует комплекс требований социально-политического, правового, экономического, демографического и медико-биологического характера.
    Исходя из сложившейся в России радиоэкологической ситуации, в решении проблемы безопасной локализации ВАО могут быть выделены две главные задачи:
     - проведение исследований по подготовке к созданию региональных могильников, предназначенных для подземного захоронения в пределах крупных промышленных регионов;
     - безопасное захоронение на территориях предприятий атомной промышленности, производящих эти отходы.
    В силу ряда объективных причин (протесты населения и местных властей, высокая стоимость работ и оборудования, отсутствие надежных средств для транспортировки ВАО) исследования по выбору мест и строительству в России региональных могильников, вероятнее всего, будут отложены на неопределенное будущее.
    Значительно более актуальной представляется задача по выбору оптимальных площадок для безопасного захоронения ВАО вблизи и на территориях предприятий атомной промышленности и в первую очередь на радиохимических комбинатах и местах базирования атомного флота.
    Комплексные геологические и геофизические исследования по выбору полигонов для подземного захоронения высокорадиоактивных отходов выполняются на территориях ПО «Маяк» в Челябинской области и Горно-химического комбината на юге Красноярского края.
    Производственное объединение «Маяк» создано в 1948 году. До 1986 года оно производило оружейный плутоний, теперь ведет переработку отработавшего ядерного топлива. Для изоляции ВАО в районе «Маяка» наиболее пригодна толща вулканитов основного состава общей мощностью около 2 км. Эти породы обладают свойствами,Свойства этих пород пригодными для захоронения отходов. Выделены два участка, которые могут быть рекомендованы для дальнейшего более детального изучения с целью выбора места для сооружения подземной лаборатории, а затем могильника. Из-за относительно небольших размеров участков затруднительно разместить здесь комплекс инженерных сооружений, необходимых для создания могильника шахтного типа. Более реальным представляется использование для захоронения буровых скважин большого диаметра (не менее 600 мм), опыт проходки которых в России имеется. Исходя из особенностей геологического строения территории санитарно-защитной зоны, сложенной пригодными для захоронения вулканогенными породами, а также моделирования гидродинамических условий, наиболее оптимальной глубиной размещения предполагаемого могильника является интервал 500—1000 м от поверхности.
    Могильник ВАО планируется также создавать в районе Горно-химического комбината (Красноярский край). На территории этого предприятия действует подземный радиохимический завод, который перерабатывает облученное ядерное топливо. Начато строительство еще более крупного завода аналогичного профиля. При вводе его в эксплуатацию количество ВАО на комбинате резко возрастет. Учитывая это, начат выбор площадок, пригодных для подземного захоронения, в Нижнеканском гранитоидном массиве, находящемся в непосредственной близости. Проведен комплекс необходимых геолого-геофизических исследований, по результатам которых выделены два участка площадью около 7 км2 каждый для дальнейшего более детального изучения. Представляется возможным осуществить в пределах этой территории подземное захоронение отходов. При этом вполне реален вариант размещения на одном полигоне поверхностного хранилища облученного ядерного топлива, а в глубокозалегающих гранитных породах — могильника отвержденных ВАО.
    Обеспечение длительной изоляции высокорадиоактивных отходов сопряжено не только с серьезными техническими трудностями, но и с весьма значительными финансовыми затратами, которые в нынешнем экономическом положении страны практически нереальны. В то же время существующая и постоянно прогрессирующая тенденция накопления ВАО требует безотлагательного решения проблемы их надежной изоляции. В сложившейся ситуации может быть предложен такой концептуальный подход, который позволит более эффективно преодолеть технические и экономические трудности. Он разработан с учетом следующих факторов:
     - фундаментальных физических и геохимических свойств радионуклидов;
     - количества, агрегатного состояния и территориального размещения ВАО;
     - данных о новых высокоэффективных технологиях кондиционирования отходов;
     - отечественного и зарубежного опыта обращения с ВАО.
    Фундаментальной основой концептуального подхода к решению проблемы обеспечения безопасного захоронения высокорадиоактивных отходов являются свойства радионуклидов, определяющие неодинаковую продолжительность их распада и специфику поведения в различных геологических условиях. Напомним, что главными токсикантами в составе ВАО являются радиоизотопы 137Cs и 90Sr, имеющие периоды полураспада не более 30 лет, и радионуклиды актиноидной группы (U, Pt, Np, Am, Cm), большинство из которых существует многие тысячелетия. При этом определяющую часть объема отходов составляют среднеживущие радионуклиды (Cs-Sr), тогда как количество актиноидов исчисляется первыми процентами. Поскольку жидкие ВАО подвергаются остеклованию без предварительной переработки, а полученные матрицы должны направляться на подземное захоронение с изоляцией могильников на многие тысячелетия, продолжение подобной практики, учитывая громадные объемы постоянно пополняющихся жидких ВАО, грозит накоплением беспрецедентных количеств отвержденных отходов, захоронение которых потребует огромных средств.
    Более эффективной представляется технология, сущность которой заключается в использовании разработанного в ПО «Маяк» метода фракционирования жидких ВАО с выделением самостоятельных фракций, содержащих Cs-Sr и актиниды, их последующего отверждения и раздельного захоронения с соблюдением условий безопасности. Важной предпосылкой нового подхода является также возможность использовать при подготовке фракционированных ВАО к захоронению результаты экспериментальных исследований, в ходе которых созданы научные и технологические основы синтезирования из смесей оксидов Zr, Ti, Al, Ca, Si высокоемких и длительно устойчивых кристаллических матриц, включающих актиниды.
    Концептуальная основа более эффективного и экономичного способа безопасной изоляции жидких ВАО предполагает осуществление следующих последовательных операций:
     - выделение из жидких ВАО самостоятельных фракций, содержащих соответственно радиоизотопы Cs-Sr и группу актинидов;
     - иммобилизация фракции Cs-Sr в стеклоподобные матрицы, более устойчивые, чем ныне используемые алюмофосфатные стекла;
     - отверждение фракции актинидов в высокоемкие и длительно устойчивые кристаллические матрицы пирохлор-цирконолит-муратаитового состава;
     - раздельное захоронение указанных матричных материалов.
    Необходимый уровень безопасности захоронений фракции, содержащей 137Cs - 90Sr и близкие к ним по продолжительности распада радионуклиды, на полностью перекрывающий их радиобиологическую токсичность срок от 500 до 1000 лет, гарантируется размещением могильников в пригодных для этих целей горных породах на глубинах, которые с помощью компьютерного моделирования оцениваются не менее чем в 400-500 м от земной поверхности.
    Надежная изоляция актинидной фракции ВАО может быть обеспечена путем захоронения этих отходов в стабильных блоках древних платформ и щитов, находящихся в условиях тектонического «покоя» в течение нескольких сотен миллионов лет. Учитывая, что при этом должны быть полностью исключены возможности вывода могильника в приповерхностную зону в результате медленного эпейрогенического воздымания, а также вероятность проникновения токсических радиоизотопов в экосферу в связи с изменениями гидродинамических режимов в районах нахождения захоронений, рекомендуется размещать могильники на глубинах первых километров от поверхности. Однако каждый раз эта величина должна уточняться с помощью анализа конкретных геологических данных и компьютерного моделирования. Поскольку в общем объеме ВАО актинидная фракция составляет малые проценты, проблема может быть решена сооружением одного или двух общенациональных могильников.
    Освоение технологий раздельного захоронения фракционированных ВАО позволит эффективно организовать научно-производственные работы на заключительной стадии ядерного топливного цикла и получить существенную экономию средств.
    Подведем итоги.
    1. В России накоплены беспрецедентные количества радиоактивных отходов, однако ряд важных стратегических, организационных и научно-технологических проблем в области обращения с этими материалами и их безопасной изоляции пока не решен.
    2. Подземное захоронение признается большинством зарубежных и российских специалистов экологически, экономически и технологически наиболее эффективным способом изоляции РАО от среды обитания человека. Альтернативные варианты удаления этих отходов из экосферы в силу различных причин неприемлемы.
    3. Перед захоронением все виды радиоактивных отходов кондиционируются, т.е. переводятся в пригодные для этой операции формы. После соответствующей выдержки они могут быть направлены на захоронение с соблюдением необходимых условий безопасности.
    4. В России осуществляется захоронение жидких РАО низкого-среднего уровня активности путем их закачки в надежно изолированные глубокозалегающие водоносные горизонты, которые являются элементами слоистых толщ осадочных пород, слагающих артезианские бассейны с замедленным или застойным режимами миграции подземных вод.
    5. Захоронение твердых и отвержденных РАО производится в специально сооружаемых могильниках. Изоляция РАО обеспечивается совокупностью инженерных и природных защитных барьеров. Инженерные барьеры (матрицы-консерванты, упаковочные контейнеры, буферы-наполнители) сохраняют свои защитные свойства в течение первых тысяч лет. Природный барьер – геологическая среда (соли, глины, граниты, кристаллические и массивные породы повышенной основности) – обладает значительно более обширными изоляционными возможностями. Наиболее пригодными для захоронения являются вулканические породы андезито-базальтового ряда.
    6. Геологические блоки земной коры, перспективные для захоронения РАО, должны характеризоваться минимальной тектонической нарушенностью, длительным (в масштабе геологического времени) нахождением в состоянии сейсмического покоя, минимально низким уровнем напряженного состояния геологической среды, оптимальными для размещения могильников размерами.
    7. РАО низкого-среднего уровня активности, требующие надежной изоляции в течение первых сотен лет, подвергаются кондиционированию и затем хоронятся в приповерхностных железобетонных могильниках, размещаемых в глинах, реже – в других породах, обладающих значимыми изоляционными свойствами.
    8. Отвержденные ВАО содержат высокотоксичные коротко- и среднеживущие радиоизотопы, а также актиниды, сохраняющие радиобиологическую опасность в течение многих тысяч лет. Это обстоятельство предопределяет необходимость надежной изоляции отходов на сроки, сопоставимые с геологическим временем и сопряжено с серьезными техническими трудностями и большими финансовыми затратами.
    9. Более приемлемой экономически и технически представляется технология захоронения ВАО, которая предполагает выделение из жидких высокорадиоактивных отходов самостоятельных Cs-Sr-содержащей и актинидной фракций, иммобилизацию Cs-Sr фракции в стеклоподобные матрицы, более устойчивые, чем ныне используемые алюмофосфатные стекла, а актинидной фракции – в изоморфноемкие высокоустойчивые минеральные матрицы, а затем раздельное захоронение указанных матричных материалов с соблюдением необходимых условий безопасности.
    10. Уровень безопасности захоронений фракции ВАО, содержащей 137Cs-90Sr, на срок от 500 до 1000 лет гарантируется размещением могильников в пригодных для этих целей горных породах на глубинах в первые сотни метров.
    11. Надежная изоляция актинидной фракции ВАО может быть обеспечена путем захоронения этих отходов в стабильных блоках древних платформ и щитов и размещения могильников на глубинах в первые километры. Учитывая относительно малые объемы актинидсодержащих ВАО, проблема их надежной изоляции может быть решена путем сооружения одного или двух общенациональных могильников.
    12. Захоронение ВАО планируется осуществлять в районах расположения радиохимических комбинатов Минатома РФ — в санитарно-защитной зоне ПО «Маяк» (Южный Урал) и в окрестностях Горно-химического комбината (Красноярский край).