Способ выбора блока горных пород для размещения хранилища радиоактивных отходов высокой температуры

 

Использование: в атомной энергетике или строительстве хранилищ долгоживущих отходов высокой активности, а также при выборе участков для подземного строительства особо важных объектов, требующих повышенной устойчивости в течение длительного времени. Сущность изобретения: способ основан на связях естественной блочности земной коры с геодинамикой ее развития и позволяет выделять наиболее стабильные в геодинамическом отношении блоки горных пород. При выделении блоков горных пород для размещения хранилищ радиоактивных отходов высокой активности используют иерархическую модель блочного строения горного массива, по результатам анализа которой с учетом геофизических параметров блоков и окружающих их зон разломов выбирают блок горных пород, пригодный для размещения хранилища.

Изобретение относится к геофизике, в частности к способам выбора блоков горных пород для размещения захоронений радиоактивных отходов в геологических формациях, и может найти применение в атомной энергетике при строительстве хранилищ долгоживущих отходов высокой активности, а также при выборе участков для подземного строительства особо важных объектов, требующих повышенной устойчивости в течение длительного времени, например реакторов тепловых и электрических атомных станций, особых видов производств и т.п.

При выборе участков для сооружения подземного хранилища радиоактивных отходов наряду с социально-экономическими, географическими, экологическими и другими критериями определенные требования предъявляются и к геологическому строению участка захоронения. Наиболее высокие требования в этом плане касаются выбора участков для захоронения долгоживущих высокоактивных отходов. Необходимость их долговременной изоляции из биосферы (на период до 10⁵-10⁶ лет) требует поиска таких участков или блоков горных пород, которые наряду с высокой механической прочностью, низкой проницаемостью, благоприятным гидрогеологическим режимом и другими необходимыми параметрами отличались и большей стабильностью в плане своего геодинамического развития.

Изобретение относится к этапу выбора блока для размещения хранилища радиоактивных отходов высокой активности в пределах массива горных пород, выделенного на основании региональных геолого-геофизических изысканий с учетом социально-экономических, географических, экологичес- ких и других критериев не геологического характера.

Известен способ выбора участков для подземного захоронения радиоактивных отходов, включающий последовательную оценку приемлемости геологической формации на региональном уровне в целом и конкретно на данном участке. Для этапа выбора участка отмечается, что выбираемая формация должна представлять собой единый блок, свободный от тектонических разломов и зон дробления пород. Расстояние от места размещения отходов до зоны тектонического нарушения должно в 2-3 раза превышать размеры горного отвода. Литологическая трещиноватость в блоке возможна лишь в виде микротрещин. Отмечаются требования по гидрогеологическому строению, изоляционным, сорбционным и теплофизическим свойствам горных пород.

Недостатком известного способа является использование неполной модели геологической среды, взятой за основу при раз- работке принципов выбора участков, и связанный с этим неверный подход к учету блочного строения массивов горных пород. Известно, что реальные массивы горных пород разбиты на блоки разных размеров и характеризуются индивидуальной структурой и иерархичностью строения. Для описания структурного строения любого массива горных пород или участка земной коры широко используется системный подход. В рамках этого подхода горный массив представ- ляет собой сложную систему, состоящую из большого числа элементов (блоков) разного уровня или ранга, причем блок ранга n состоит из блоков ранга n+1 и является составной частью блока ранга n-1. Друг от друга блоки отделяются разломами и трещинами, отличающимися различной протяженностью (от единиц сантиметров до тысяч километров), шириной (от долей миллиметров до нескольких километров), и другими характеристиками, при этом блоки n-го иеpархического уровня разделяются разломами n-го ранга, а блоки (n+1)-го ранга разломами (n+1)-го уровня и т.д. Так, например, согласно классификации СНиП 2.02.02-85, широко используемой в инженерных целях, все многообразие блоковых структур земной коры описывается восемью иерархическими уровнями. В. И. Уломов по энергетической (магнитудной) классификации выделяют сейсмоактивные разломы десяти рангов. Иерархичностью строения обладают все массивы скальных горных пород, поэтому невозможно выбрать блок для размещения захоронений вообще без трещин и разломов либо только с литологическими трещинами, как рекомендуют, а можно говорить лишь о выборе блока определенного иерархического уровня, подразумевая, что в его пределах нет тектонических нарушений лишь заданного ранга.

Вторым недостатком известного способа является недоучет современных движений земной коры при выборе участков для размещения захоронений радиоактивных отходов высокой активности. Известно, что в процессе геологического развития блоки всех иерархических уровней под действием тектонических сил смещаются с различной скоростью относительно друг друга, деформируются и разpушаются, при этом скорости их движений даже в наиболее стабильных платформенных областях могут достигать нескольких миллиметров в год. Очевидно, что возможности этих движений и их следствия необходимо учитывать при выборе участков для сооружения хранилищ радиоактивных отходов, поскольку тектонические движения способны привести к разгерметизации хранилища и преждевре- менному выходу радионуклидов в биосферу. Как правильно отмечают геологическая среда должна являться главным барьером, препятствующим распространению отходов. Поэтому необходим выбор такого блока, который бы в процессе своего дальнейшего развития был наиболее стабилен и устойчив относительно вероятных геодинамических воздействий.

Наиболее близким к заявленному способу по назначению и совокупности признаков является способ выбора блоков горных поpод для размещения хранилища радиоактивных отходов высокой активности, включающий проведение геолого-геофизических региональных исследований, специальных полевых геологических работ, создание по их результатам иерархической модели блочного строения массива горных пород, включающей и классификацию зон разломов, расположенных в исследуемом районе. В указанной модели номер иерархического ранга блоков возрастает от единицы по мере уменьшения геометрических размеров и сложности строения блоков и ограничивающих их разломов. Блоки горных пород, перспективные для размещения хранилища, выделяют с учетом проницаемости и стабильности различных зон разломов, однородности пород, степени их трещиноватости, затем проводят дальнейшее изучение перспективных блоков геодезическими и сейсмическими методами с целью получения новых данных по вертикальным и горизонтальным движениям блоков и региональному полю напряжений. По результатам этих исследований выбирают блок горных пород для размещения хранилища радиоактивных отходов высокой активности.

Недостатком такого способа является низкая надежность выделения наиболее стабильных в геодинамическом отношении блоков горных пород, поскольку на этапе выделения перспективных блоков не выполняется учет некоторых важных особенностей блочного строения среды, а геодезические измерения с целью исследования вертикальных и горизонтальных блоковых движений на этапе последующего изучения приоритетных блоков требуют значительных материальных затрат, длительного времени и тем не менее не могут полностью решить поставленную задачу, поскольку режимы тектонической активизации имеют пульсирующий характер, а периодичность различных проявлений геодинамики изменяется от первых месяцев до нескольких десятилетий и сотен миллионов лет. В связи с этим длительность геодезических измерений для исследования геодинамики перспективного блока должна быть сопоставима со сроком планируемой эксплуатации сооружения, что неприемлемо по техническим соображениям. Ограниченное по времени изучение геодинамики с помощью геодезических измерений может дать неверное либо неполное для решения поставленной задачи представление о степени стабильности выбранных блоков и привести тем самым к ошибочному выбору.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является снижение стоимости изысканий за счет уменьшения объема геодезических работ и повышение надежности захоронения высокоактивных отходов за счет учета геодинамических особенностей блока горных пород для размещения хранилища отходов.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе выбора блока горных пород для размещения захоронений радиоактивных отходов высокой активности, включающем региональные изыскания массива горных пород, создание по их результатам иерархической модели блочного строения массива горных пород и классификацию зон разломов, в которой номер иерархического ранга возрастает от единицы по мере уменьшения геометрических размеров и сложности строения блоков и ограничивающих их разломов, и выделение перспективных для сооружения хранилища блоков коренных пород с учетом проницаемости и стабильности различных зон разломов, однородности пород, степени их трещиноватости дополнительно устанавливают иерархический ранг n требуемого для сооружения хранилища отходов блока с учетом объема отходов, подлежащих захоронению, и необходимых размеров горного отвода, определяют геометрические размеры всех блоков изометрической формы выделенного иерархи- ческого уровня n и в качестве перспективных выбирают блоки с наименьшими средними геометрическими размерами b (b2/3 b_max), расположенные в краевых частях или ограниченные зонами разломов (n-j)-го иерархического ранга (1 J n 1), и при дальнейшем изучении перспективных блоков определяют ширину разломных зон а и акустическую жесткость горных пород рс в зонах разломов, оконтуривающих перспективные блоки, например, с помощью сейсморазведочных измерений, каротажа разведочных скважин и лабораторных исследований образцов горных пород. Для сооружения хранилища радиоактивных отходов высокой активности методом итераций выбирается наименьший по размерам блок, окруженный наиболее широкими зонами разломов с наименьшей акустической жесткостью и удовлетворяющий требованиям по гидрогеологическому строению, механическим, изоляционным, сорбционным и теплофизическим свойствам горных пород.

Сущность изобретения заключается в следующем. Впервые на основании теоретически и экспериментально установленных закономерных связях естественной блочности земной коры и геодинамики ее развития, динамических проявлений разного энергетического уровня выработан подход к оценке механической устойчивости конкретных блоков и стабильности их геодинамического развития. Из региональных исследований сейсмичности установлено, что дискретность иерархической слоисто-блоковой структуры земной коры и энерго-пространственно-временное развитие сейсмических процессов связаны между собой. Очаги землетрясений, квантованые по энергии и магнитуде, распределены когерентно не только во времени, но и в пространстве. Иерархия геоблоков и пространственное распределение сейсмических очагов имеют одну и ту же или близкую фрактальную размерность. В целом к зонам больших по размеру блоков приурочены сейсмические события большей энергии и соответственно сейсмодислокации больших размеров и наоборот. Механическая природа такой упорядоченности состоит в том, что каждый очередной разлом возникал (и может возникнуть в будущем) по соседству от субпараллельного ему разлома того же ранга на расстоянии, обусловленном уменьшением тектонических и литостатических напряжений, сброшенных предыдущим разломом, и величиной сцепления приразломной среды с подстилающим слоем. Кроме того, при исследовании наведенной техногенной сейсмичности в Хибинском горном массиве было установлено, что частота сейсмических событий с магнитудой 0,5 на границах блоков одногo иерархического ранга зависит от геометрических размеров блоков. С уменьшением размера блоков частота сейсмических событий в целом уменьшается. Все это свидетельствует о единстве структурных и динамических особенностях реальной среды и позволяет использовать их геометрические характеристики для геодинамической регионализации и районирования.

Кроме того, расположение выбираемого для захоронения радиоактивных отходов блока вблизи зон пересечения разломов более низкого иерархического уровня, т. е. зон разломов, обладающих, как правило, более широкими зонами дробления либо повышенной трещиноватости и характеризующихся меньшей механической прочностью и большей пластичностью, способствует изоляции выбранного блока от воздействия внешних по отношению к данному блоку тектонических сил и иных механических возмущений, например сейсмических воздействий землетрясений, крупномасштабных взрывов. Большая пластичность в пределах зон разломов сделает также более свободным проскальзывание выбранного блока при его вертикальных перемещениях под действием тектонических сил, приливных явлений и пр.

Предлагаемый способ позволяет с большей сравнительно с известными способами надежностью выбрать блок, отличающийся наиболее высокой стабильностью своего геологического развития. Сооружение хранилища радиоактивных отходов высокой активности в выбранном с помощью данного способа блоке обеспечит необходимую изоляцию отходов в течение требуемого времени.

Способ реализуется поэтапно с помощью стандартных методов и операций инженерно-геологических изысканий, регламентированных соответствующими методическими инструкциями.

Этап 1. На основании региональных и мелкомасштабных данных главным образом по геологическому и структурно-тектоническому строению, гидрогеологии, сейсмичности, неотектонике с учетом географических, экологических и социально-экономических критериев известными способами выбирается перспективный массив горных пород размером порядка (5-10) х x10²км², например какой-либо участок Балтийского щита, на большей своей части сложенного благоприятными по механическим и изоляционным свойствам скальными горными породами гранитами, гнейсами и др.

Этап 2 Для выбранного на региональном этапе изысканий массива горных пород создаются модель иерархичного блочного строения и классификация зон разломов на основе использования известной геолого-геофизической информации различных масштабов, топокарт, аэро- и космических снимков и специальных полевых исследований. Например, для выбранного массива горных пород составлена иерархичная модель структурного строения, включающая блоки изометричной формы пяти иерархических рангов со средними размерами b порядка: 100 км блоки 1-го ранга, 10 км блоки 2-го ранга, 1 км блоки 3-го ранга, 0,1 км блоки 4-го ранга, 0,01 км блоки 5-го ранга.

Далее исходя из видов и объемов производств, сопровождающихся радиоактивными отходами высокой активности (для Мурманской области, например, Кольская АЭС, атомные подводные и надводные корабли Северного флота, судоремонтный завод в Североморске) вычисляют, что для размещения отходов, образующихся, например, в течение 20-50 лет, необходимо подземное хранилище с полезным объемом размерами 150х300х20 м. Учитывая размеры необходимого горного отвода, определяют, что проектируемое хранилище может быть размещено в блоке 3-го ранга. Далее в качестве перспективных выбирают 3-5 блоков 3-го ранга, расположенных в краевых частях либо ограниченных зонами разломов 1-го или 2-го ранга и удовлетворяющих согласно имеющихся данных по степени однородности пород, их трещиноватости и другим характеристикам.

Этап 3. При дальнейшем инженерно-геологическом изучении перспективных блоков наряду с уточнением их размеров, свойств горных пород, гидрогеологии и других характеристик определяют ширину разломных зон а и акустическую жесткость рс горных пород в зонах разломов, оконтуривающих перспективные блоки, с помощью, например, сейсморазведочных методов, каротажа разведочных скважин и лабораторных определений свойств горных пород. Для сооружения хpанилища радиоактивных отходов высокой активности методом итераций выбирается блок, отличающийся наименьшим средним геометрическим размером l_min, окруженный зонами разломов наибольшей ширины а_max с наименьшей акустической жесткостью рс_min и удовлетворяющий требованиям по гидрогеологическому строению, механическим, изоляционным, сорбционным и теплофизическим свойствам горных пород.

Формула изобретения

СПОСОБ ВЫБОРА БЛОКА ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ХРАНИЛИЩА РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ в геологических формациях, включающий региональные изыскания массива горных пород, создание по их результатам иерархической модели блочного строения массива, включающую классификацию зон разломов, в которой номер иерархического ранга возрастает от единицы по мере уменьшения геометрических размеров и сложности строения блоков и ограничивающих их разломов, и выделение по результатам исследования полученной модели блоков горных пород, перспективных для размещения хранилища, отличающийся тем, что при определении перспективных блоков выбирают блоки изометрической формы, относящиеся к иерархическому рангу n, установленному с учетом необходимого объема хранилища отходов, определяют геометрические размеры всех блоков установленного иерархического ранга n, в качестве перспективных выбирают блоки, характеризующиеся средним геометрическим размером b менее 2/3 от максимального b_max и расположенные в краевых частях или ограниченные зонами разломов иерархического ранга n - j, где 1 j n - 1, определяют акустическую жесткость pc горных пород в этих зонах и их ширину a, а для размещения хранилища радиоактивных отходов высокой активности выбирают методом итераций блок, удовлетворяющий условиям a = a_max, pc = pc_min, b = b_min.