Д. М. АХМАДЬЯРОВ, канд. техн. наук (Оргтехстрой-11); Н. И. ТУПОВ, канд. техн. наук (Электростальский филиал МИСиС), ЦЕМЕНТНЫЙ КАМЕНЬ ТЕХНОГЕННЫХ БАРЬЕРОВ ПРИ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ РАЗЛИЧНОЙ АКТИВНОСТИ

Проблема локализации радиоактивных отходов (РАО) не зависит от того, будет в дальнейшем развиваться ядерная энергетика или нет. Накопленные за 40 лет РАО уже сами по себе создали труднорешимую научную и техническую проблему. К 2000 году объем РАО низтем не менее 99 % всей активности приходится на нее.

Существует несколько основных концепций обезвреживания: удаление в педосферу (в верхние или глубинные слои земной коры), а также размещение в естественных подземных пещерах и пустотах; удаление на дно океанов; захоронение в континентальных льдах; использование ускорителей, ядерных и термоядерных реакторов для превращения (трансмутации) долгоживущих изотопов в радионуклиды с более коротким периодом полураспада; применение ракет для транспортировки отходов в космос.

Однако признано, что единственным практическим методом захоронения РАО, применимым в настоящее время, является их локализация в геологические формации. Локализация РАО будет производиться на многобарьерной основе. В качестве локализирующих барьеров в системе сооружаемых горных выработок могильников предполагают использовать и их элементы. Например, применительно к могильникам-скважинам, в которых радиоактивные отходы высокой активности размещаются внутри обсадной трубы, герметизация обеспечивается заполнением тампонажным раствором затрубного пространства скважины (кольцевого зазора толщиной 2—5 см) и устройством в пределах ствола скважины пробок из бетона или тампонажного раствора. Наряду с изоляцией в могильники-скважины, расположенные в глубоких геологических формациях, одним из направлений технического воплощения процесса изоляции отвержденных РАО является применение приповерхностного способа. Он состоит в окончательном удалении низко- и среднеактивных отходов, почти не содержащих долгоживущих излучающих радионуклидов, в траншеи или другие сооружения, расположенные вблизи земной поверхности. В системе защитных барьеров приповерхностного могильника одним из основных элементов является гидроизолирующий естественный или искусственно созданный экран.

Методика проектирования могильников и хранилищ РАО, методы обсуждения результатов и принятие решений являются самостоятельными, еще слабо разработанными научными задачами. Подтверждением этому, в частности, служат установленные факты загрязнения глубинных слоев грунта радионуклидами РАО, удаленных в типовые подземные железобетонные резервуары из бетона на основе портландцемента. При этом экспериментами показано, что причиной загрязнения глубинных слоев грунта РАО является не- герметичность этих сооружений. Вследствие этого они заполняются водами, уровень которых колеблется в зависимости от времени года. Грунтовые воды в результате контакта с твердыми отходами низкого и среднего уровня активности приобретают объемную активность до 100 кБк/л. Очевидно, эти загрязненные радионуклидами воды, проникая с течением времени обратно в грунты, являются источником их загрязнения. Изоляцию РАО также не удалось обеспечить общепринятыми способами, например, покрытием стенок и днища резервуаров битумными эмульсиями, цементными растворами с добавками жидкого стекла и т. д.

Общим при локализации отходов всех видов активности является необходимость создания эффективно герметизирующих и долговечных материалов для техногенных барьеров с целью нивелирования недостатков, присущих породам геологических формаций.

Кардинальное решение проблемы заключается в придании техногенным барьерам и их узлам непроницаемости без проведения специальных гидроизоляционных мероприятий. Другими словами — материал, предназначенный для возведения сооружений, локализирующих РАО, должен обеспечивать техногенным барьерам непроницаемость без устройства вторичных средств защиты, в качестве которых обычно используют радиационно нестойкие органические материалы. Исследования, проведенные нами, показали, что наряду с применением классических приемов повышения непроницаемости и долговечности цементных композиций путем снижения водоцементного отношения и/или введения активных минеральных добавок, в материалах для изолирующих техногенных барьеров следует создавать нормируемое самона- пряжение.

Суть физико-химических процессов, вызывающих самонапряжение бетона, заключается в образовании в среде гидратирующегося цементного камня гидросульфоалюминатов (или гидросульфоферритов) кальция, иглообразные кристаллы которых в процессе роста увеличиваются в объеме по отношению к исходным минералам и вызывают увеличение объема системы. При наличии влаги в период твердения и эксплуатации (что в геологических формациях практически неизбежно) у некоторых видов вяжущих в результате гидратации минералов или вторичной кристаллизации (перекристаллизации) гидратированных минералов цемента может происходить увеличение объема твердой фазы и цементной системы в целом. В этом случае происходит частичное снятие капиллярного вакуума и обусловленного им сжатия системы, а бетон гарантированно приобретает непроницаемость не ниже W 12. Кроме того, повышается трещиностойкость сооружения, возведенного из него, а в итоге и долговечность сооруженного хранилища. Такие бетоны можно получать как на отечественных важущих, используя, например, портландцемент с добавками (алюминатосульфатными, алюминато оксидными, оксидными), так и на аналогичных зарубежных вяжущих, используя, например, добавку фирмы ДЕМКА CSA (Япония) или М-, S- и К-цемен- ты, производимые в США.

Следует иметь ввиду, что изоляция РАО относится к потенциально опасному роду производств, а также и то, что сооружения, локализирующие РАО, должны надежно обеспечивать необходимые эксплуатационные качества на длительное время — 300, 500, 10 000 и более лет, в идеальном варианте на вечно. За этот период могут измениться гидрогеологические условия в месте захоронения, повыситься или понизиться активность радионуклидов и т. д. Поэтому к применению в техногенных барьерах, изолирующих РАО, следует допускать материалы, доказавшие свою эксплуатационную стойкость в сооружениях различного назначения.

Учитывая острую практическую необходимость в результатах разработки уже в настоящее время, бетоны для техногенных барьеров следует создавать на товарных цементах и компонентах, массовый выпуск которых налажен промышленностью стройматериалов. Это позволит: во-первых, гарантировать с большей надежностью свойства разработанных бетонов; во-вторых, сделать результаты разработки доступными для потребителя сразу после ее окончания и, в третьих, что для такого типа сооружений особенно важно, учесть имеющийся многолетний опыт исследования, применения и эксплуатации этих материалов. Комплексный учет этих предпосылок повысит надежность результатов разработки, а значит позволит с большей достоверностью гарантировать безопасность пункта локализации.

К таким материалам относится бетон на основе напрягающего цемента (НЦ). Применение НЦ для возведения железобетонных сооружений позволяет создать в них предварительное напряжение в одном, двух или трех направлениях за счет использования энергии самона- пряжения твердеющего бетона. Это повышает несущую способность, трещиностойкость, непроницаемость (водонепроницаемость гарантируется не ниже W 12) и долговечность самона- прягающих сооружений без дополнительных технологических мероприятий. Опыт показывает, что эффективность применения напрягающих бетонов обусловлена: в промышленности сборного железобетона — в результате улучшения качества конструкций из-за существенного повышения технологической тре- щиностойкости, а также снижения расхода материалов и энергии; в строительном производстве — в результате отказа от гидроизоляции и других защитных покрытий, а также повышения степени индустриальное™ строительства; при эксплуатации — в результате повышения долговечное™ конструкций и увеличения срока безремонтной службы.

Применительно к проблемам ядерной энергетики напрягающий бетон нашел применение в сооружениях фундаментов АЭС на Запорожской, Балаковской, Ровенской, Хмельницкой, Ростовской и других станциях, Самонапряженный железобетон применен в полах помещений Института атомной энергии им. И. В. Курчатова. Однако исследования по использованию НЦ в ядерной энергетике не носили целенаправленного и систематаческого характера и, видимо, поэтому пока не получили должного распространения.

Радиационные эффекты от РАО обусловлены воздействием a-и 7-излучателей. Принципиальная возможность образования продуктов радиолиза в процессе локализации РАО обусловлена наличием в составе цементаого камня связанной и свободной воды затворения. Явление радиолиза при локализации РАО доказано при облучении цементаого камня на источнике 60со и в процессе хранения радиоактивных блоков при поглощенной дозе излучения более 105 Гр. Воздействие 7-излучения в основном поглощается в матрице РАО и лишь небольшая его доля проникает в окружающую среду на расстояние около метра. Воздействие агизлучения полностью поглощается в объеме иммобилизирующей матрице. Поэтому величину поглощенной дозы 7-излучения 105 Гр можно считать достаточной для создания радиационных нагрузок на исследуемые составы цементаого камня. Влияние излучения ослабляется и тем, что в пределах иммобилизирующей матрицы имеет место наибольшее термическое воздействие, вызывающее отжиг радиационных дефектов.

При изоляции отходов низкой и средней активности тепловую нагрузку не учитывают, а при локализации высокоактав- ных отходов максимальную температуру стремятся принимать не выше 100 ° С (для исключения возможности парообразования). Регулирование тепловой нагрузки от РАО осуществляют с учетом соотношения удельной активности отходов, размеров и формы пунктов локализации.

Таким образом, основным физическим эффектом, вызываемым РАО низкой и средней активности, будет являться радиационное воздействие -излучения. Отходы высокой активности будут характерироваться совместным воздействием 7-излучения и повышенных температур, вызываемых этим излучением.

С учетом изложенного становится понятным, что для различных типов РАО следует также рассматривать экономические оценки вариантов локализации. Например, хотя глубокие подземные могильники могут быть использованы для изоляции низкоактивных отходов с короткоживущими радионуклидами, стоимость такого захоронения может быть неоправданно высока по сравнению с приповерхностным вариантом.

Общая методология исследований. Исследования проведены применительно к наиболее трудно решаемой проблеме, а именно к проблеме получения термо- и радиационностойкого цементного камня из тампонажных растворов, пригодных с технологической точки зрения для изоляции могильников-скважин отходов высокой активное™. Для получения сопоставимых данных эти же растворы использованы применительно к проблеме изоляции низко- и среднеактивных отходов в горных выработках.

Цементный камень напрягающего бетона, по сравнению с портландцементаым, содержит на 12—16 % больше химически связанной воды. Это обстоятельство может способствовать разрушению цементаого камня из НЦ вследствие радиолиза его составляющих. В первую очередь это относится к эттрин гиту — высокосульфатной форме гидросульфоалюмината кальция. Кроме того, известно, что эттрингит термодинамически устойчив до температуры 70 °С. Поэтому существуют обоснованные опасения, связанные не только с радиолизом эттринги- та, но и с возможной потерей прочности цементного камня на основе НЦ, в условиях воздействия повышенных температур.

На основании проведенных исследований считается, что повышение термо- и радиационной стойкости достигается введением в состав портландцемента тонкомолотого кремнезема. Оптимальное содержание кремнезема в цементе устанавливается экспериментом и по результатам отечественных и зарубежных исследований должно составлять 25...50 % массы цемента. В России термостойкий портландцемент получают в заводских условиях совместным помолом портландцементного клинкера (около 60 %) и кварцевого песка (около 40 %). Однако тонкомолотый кварц можно вводить в цемент и на месте применения, как это принято в США. Исходя из условия получения термостойкого цементного камня с максимальной прочностью при минимальной проницаемости признано целесообразным исследовать цементный камень, получаемый введением при приготовлении в состав цемента тонкомолотого кремнезема в количестве 40 % массы цемента.

Для снижения водопотребности и, следовательно, повышения прочности и непроницаемости исследуемые растворы приготовлялись с использованием пластифицирующей добавки JICT, широко применяемой в цементнкх бетонах и строительных растворах.

Бетон и железобетон, 1993 №11