Ученые ГЦ РАН изучают геодинамику в районе строительства подземной исследовательской лаборатории в Красноярском крае
30 ноября 2023 г.
В России решается важнейшая геэкологическая задача – удаление из биосферы высокоактивных радиоактивных отходов. Единственный осуществимый в настоящее время способ – это захоронение в глубокие геологические формации. О том, какие исследования проводят ученые Геофизического центра РАН, чтобы обеспечить максимальную безопасность захоронения РАО, «Вестнику ОНЗ РАН» рассказал чл.-корр. РАН В. Н. Татаринов.
 |
Виктор Николаевич Татаринов – заведующий лабораторией геодинамики Геофизического центра РАН, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, специалист в области геоэкологии, прикладной геодинамики и геоинформатики. |
– Ученые лаборатории геодинамики ГЦ РАН проводят исследования, которые направлены на обоснование геодинамической безопасности захоронения высокоактивных радиоактивных отходов. В чем заключается актуальность этой задачи?
Днем рождения атомной промышленности считается 28 сентября 1942 года. В этот день Государственный комитет обороны СССР выпустил распоряжение №2352сс «Об организации работ по урану». Оно начиналось со слов: «Обязать Академию наук СССР возобновить работы по исследованию осуществимости использования атомной энергии путём расщепления ядра урана и представить ГКО к 1 апреля 1943 года доклад о возможности создания урановой бомбы или уранового топлива».
И вот уже более 82-х лет на территории нашей страны накапливаются радиоактивные отходы (РАО). Их «складировали» на земной поверхности, так как необходимость создания атомного оружия и ядерной энергетики в кратчайшие сроки отодвинула задачи радиационной безопасности населения и окружающей среды на второй план. Преобладала идеология отложенного решения: удаление отходов из биосферы до лучших времен. В результате было образовано огромное количество РАО активностью более 5,9х109 Кюри и объемом свыше 510 млн м3. И только в конце 90-х годов XX века началось масштабное решение проблемы, когда сформировалось понимание, что безопасность обращения с РАО является приоритетным условием обеспечения геоэкологической безопасности населения нашей страны.
Наиболее токсичными являются высокоактивные РАО. Конечно, существуют технологии переработки РАО и уменьшения их объема, но пока единственный осуществимый способ их удаления из окружающей среды – это захоронение в глубокие геологические формации. Это мнение, заложенное в документах МАГАТЭ, содержит этическую основу в виде принципа ответственности перед будущими поколениями за окружающую среду.
В 2011 году был принят Федеральный закон 190-ФЗ «Об обращении с РАО». В нем сформулировано требование создания пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов (далее – ПГЗРО, – прим. ред.), под которым понимается «подземное сооружение, размещенное на глубине более 100 метров от поверхности земли». Сама по себе идея захоронения РАО проста, но пока еще ни в одной стране не создано геологическое хранилище, так как прогноз стабильности геологической формации является чрезвычайно сложной междисциплинарной задачей. Как говорил один юморист, «прогноз от предсказания отличается тем, что ошибки в нём научно обоснованы». Дело в том, что изоляционные свойства пород необходимо оценить на сроки, сопоставимые со сроками радиобиологической опасности радионуклидов в РАО, а это – более 10 тыс. лет. Кроме того, РАО выделяют тепло (по различным оценкам они могут сохранять температуру до 120 °С в течение 150 лет).
Поэтому процесс выбора участков земной коры, пригодных для захоронения РАО, весьма сложен и длителен, так как надежных методов экстраполяции поведения геологической среды на такие длительные временные интервалы нет ни в мировой, ни в отечественной практике.
– Расскажите об истории этого вопроса, кто этим занимается в нашей стране и за рубежом?
В настоящее время во многих странах мира разрабатываются проекты создания ПГЗРО в различных непроницаемых породах: в солях (Германия, США), в гранитах (Швеция, Финляндия, Швейцария, Канада, Китай, Россия), в глинах (Франция, Швейцария, Бельгия) и туфах (США). Реализация проектов проходит в условиях сильнейшей критики со стороны общественности, причина которой заключается в традиционно остром восприятии людьми всего того, что связано с радиоактивностью, особенно после аварий на Чернобыльской АЭС и «Фукусиме-1».
В нашей стране у истоков решения этой проблемы стоял академик Н. П. Лаверов. В апреле 1993 года он возглавил работу Межведомственной комиссии при Правительстве Российской Федерации по геологическому обеспечению безопасного захоронения РАО. Собственно, с этого времени и начались активные изыскания по выбору наиболее подходящего участка для захоронения РАО.
В Красноярском крае такие исследования проводились начиная с 1993 года. По результатам инженерно-геологических изысканий были отобраны два перспективных участка – «Верхнеитатский» и «Енисейский». Оба они отвечали действовавшим геологическим критериям, но решающую роль в выборе второго сыграли социально-экономические факторы, а именно – его близость к инфраструктуре Горно-химического комбината. Надо отметить, что выбор места для захоронения РАО является предметом острейших дискуссий ученых, специалистов и общественности. В 2016 году на секции № 1 НТС № 10 Госкорпорации «Росатом» были рассмотрены материалы о строительстве первого в России пункта глубинного захоронения РАО на участке «Енисейский». Государственный надзорный орган, «Роснедра», дал заключение, что участок пригоден для строительства объекта, но необходимо провести исследования, чтобы окончательно доказать его геоэкологическую безопасность. Этим и предстоит заняться в строящейся подземной исследовательской лаборатории.
Международный опыт выбора площадок основан на поиске в стабильных геологических районах наименее нарушенного структурного тектонического блока при его максимальных размерах. Однако известно, что этот район, находящийся на стыке Сибирской платформы и Алтае-Саянского складчатого комплекса, относится к зоне орогенеза, т. е. процесс его формирования как горного сооружения еще не закончен. Поэтому «подходящие» гидрогеологические условия и свойства массива горных пород на момент начала строительства ПГЗРО не могут гарантироваться на весь срок его эксплуатации. За длительный период геодинамика способна кардинально изменить гидрогеологический режим: уровень подземных вод, напор водоносных горизонтов, вызвать образование новых и раскрытие старых каналов инфильтрации флюидов и т. д. Но наибольшую угрозу представляет вероятность тектонической деструкции структурно-тектонических блоков, которые находятся в поле нелинейно изменяющихся во времени тектонических сил.
Согласно международной практике начальным этапом создания ПГЗРО является строительство подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ), в которой уточняются характеристики вмещающего массива. Работы по созданию ПИЛ ведутся в США (Yucca Mountain), Швеции (Äspö), Финляндии (Onkalo), Швейцарии (Grimsel), Франции (Fanay-Augeres), Японии (Mizunami), Германии (Горлебен) и других странах. В этих лабораториях сейчас проводят активные исследования. Наибольшего прогресса достигла Финляндия, где ПИЛ «Onkalo» станет частью ПГЗРО. На конец 2022 года пройдено (создано – прим. ред.) пять тоннелей длиной 1700 м. Планируется, что за 100-летний срок эксплуатации для захоронения РАО будет проделан огромный объем горных работ – пройдено 100 тоннелей протяженностью до 35 км. В Китае в 2021 году также уже начато строительство ПИЛ в пустыне Гоби. Лаборатория будет создаваться в течение 7 лет, она рассчитана на последующую работу в течение 50 лет.
Как я сказал, в нашей стране в 2022 году также начато строительство ПИЛ. Научно-исследовательские работы на глубине 500 м планируется выполнять в течение 10 лет, после чего будет принято решение о пригодности (или непригодности) массива для захоронения РАО. В настоящее время идут активные работы по составлению программы исследований в ПИЛ.
– Каково современное состояние научных исследований в районе строительства ПИЛ в Красноярском крае? Для чего нужна подземная лаборатория?
Вначале необходимо подчеркнуть, что строительство ПИЛ – это не то же самое, что и строительство ПГЗРО. В результате научных исследований в ПИЛ, может быть, придется отказаться от этого места. Но работы не будут бесполезными, так как в таком случае возможно превращение лаборатории в международный научно-исследовательский центр, как это сделано в Швейцарии.
История захоронения РАО имеет яркие примеры отказа от уже выбранных площадок на заключительной стадии, когда была создана вся инфраструктура и подземный комплекс выработок. Первый, когда Высшая экспертная комиссия по ядерному будущему (США) расценила ситуацию с хранилищем Yucca Mountain как «национальный провал», который «уже привел к крупным материальным потерям». После прихода к власти Барака Обамы строительство хранилища было свернуто, притом что затраты на его реализацию составили более 10 млрд долларов. Второй пример – хранилище «Горлебен» в Германии в Нижней Саксонии. Оно, практически уже полностью готовое, было закрыто, так как свойства солей оказались непригодными. И теперь там планируются новые исследования по выбору места в кристаллических породах, аналогичных Нижнеканскому массиву в России.
Как я уже сказал, проект строительства ПИЛ был утвержден в 2016–2017 годах. Затем была назначена организация – научный руководитель работ. Примечательно, что им стал институт Академии наук – ИБРАЭ РАН. Госкорпорацией «Росатом» был утвержден стратегический мастер-план, в котором намечены приоритетные НИР на ближайшие годы. Под методическим руководством ИБРАЭ РАН и в тесном контакте с их учеными формулируются задачи исследований в ПИЛ.
В настоящее время в сибирской тайге уже расчищена площадка под строительство ПИЛ (фото 1) и начато ее строительство. Это достаточно крупное подземное сооружение на глубине 500 метров от земной поверхности. Предусмотрена проходка 3-х стволов, системы горизонтальных горно-капитальных выработок общей протяженностью до 5000 м и более десятка камер для проведения научных экспериментов. Ориентировочно срок начала работы лаборатории запланирован на 2026 год.
|
В ПИЛ планируется решение следующих научных и практических задач:
|
– Какой ваш путь как горного инженера – геофизика к этим исследованиям?
Практически вся моя научная деятельность тесно связана с задачами изучения устойчивости геологической среды на стыке горного дела, геофизики, геодезии, геоинформатики. После окончания Московского геологоразведочного института в 1980 году я начал работу младшим научным сотрудником в научно-исследовательском институте «ВНИПИпромтехнологии» Минатома РФ. Я занимался инженерно-геологическим изучением пород сложноструктурных урановых месторождений. Я проводил отбор образцов пород в горных выработках, лабораторные испытания, измерял трещиноватость на обнажениях и другое. Сразу же в первую командировку я впервые попал на глубину 500 метров на урановом руднике в городе Краснокаменск и вспомнил своего деда-горняка, который работал на угольных шахтах Подмосковного бассейна. Сейчас я понимаю, что этот период оказался очень полезен для последующей работы, он позволил ощутить дыхание земных недр, увидеть в натурных условиях строение горных массивов, как развивается разрушение удароопасных перенапряженных пород в горных выработках. Я учился у известных ученых-атомщиков О. Л. Кедровского, Е. А. Котенко, Е. Н. Камнева, В. Н. Морозова.
В 1986–1991 годах я принимал участие в организации Геомеханической службы Минатома СССР. Тогда не раз пришлось объехать урановые рудники, разбросанные по всей территории бывшего СССР – в Читинской области РФ, северном Казахстане, Украине, Узбекистане и Киргизии и даже в Монголии (фото 2). В этот период вместе с учеными ВНИМИ были внедрены новые средства контроля прогноза удароопасности. Потом был небольшой период работы по подземному объекту Горно-химического комбината, который, кстати, расположен недалеко от ПИЛ, на площадке хранилищ РАО «Радон» в Московской области и на ряде АЭС.
Перейдя на работу в Геофизический центр РАН, я занялся новым направлением – наблюдениями за современными движениями земной коры с использованием средств ГНСС. В 1995 году я принял участие в совместном российско-американском проекте под руководством Г. А. Соболева, где впервые познакомился с ГНСС-технологией. С тех пор мы активно используем средства ГНСС для решения геоэкологических задач.
– Какие исследования в данном направлении вы сейчас проводите?
Как я уже говорил, геодинамические исследования в Геофизическом центре РАН начались в конце 90-х годов. Возглавивший в начале 2000-х годов ГЦ РАН академик РАН А. Д. Гвишиани придал этим исследованиям дополнительный импульс развития. Нашей гордостью является уникальный Нижнеканский геодинамический полигон для ГНСС-наблюдений за современными движениями земной коры (фото 3). На нем мы изучением кинематику современных движений земной коры. Для этого у нас есть 20 комплектов ГНСС-приемников, сертифицированные программные продукты, 20-летний опыт проведения полевых ГНСС-наблюдений. Возглавляет это направление выдающийся геодезист В. И. Кафтан.
Мы также выполняем геодинамическое районирование, построенное на численном моделировании и механико-математическом энергетическом анализе напряженно-деформированного состояния блочной среды. Получен ряд фундаментальных научных результатов о геодинамическом режиме зоны контакта крупнейших тектонических структур – Сибирской платформы, Западно-Сибирской плиты и Алтае-Саянской орогенной области.
Для обоснования безопасности захоронения высокоактивных РАО в Нижнеканском массиве впервые были применены методы и алгоритмы системного анализа пространственных геолого-геофизических данных научной школы академика А. Д. Гвишиани. Они помогли успешно реализовать проект РНФ в 2018–2022 гг., в рамках которого теоретически обоснована новая методология оценки устойчивости тектонического блока, вмещающего высокоактивные РАО.
Большое внимание мы уделяем сбору и анализу геологических данных, особенно в полевых условиях. Для этого создана геоинформационная система на основе QGIS. Наши молодые сотрудники освоили современную технологию построения 3D-моделей, и в настоящее время ведутся работы по построению трехмерной модели напряженно-деформированного состояния участка «Енисейский», в которой мы задаем граничные условия по результатам ГНСС-наблюдений. В общем – работа только начинается.