Многобарьерная система безопасности при строительстве и эксплуатации подземных атомных станций малой мощности в условиях Российской Арктики

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 621.039.577

МНОГОБАРЬЕРНАЯ СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ МАЛОЙ МОЩНОСТИ В УСЛОВИЯХ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ

Ю. Г. Смирнов, А. О. Орлов

ФГБУН Горный институт КНЦ РАН

Аннотация

Рассмотрены основные принципы создания многобарьерной системы безопасности подземных атомных станций малой мощности, которые могут быть альтернативным источником электрической и тепловой энергии при освоении арктических регионов России. Это достигается использованием как естественных природных, так и создаваемых инженерных барьеров. Природно-техническая система «геологическая среда — инженерный барьер» является основополагающим элементом обеспечения безопасности подземного комплекса АСММ в сложных горно-геологических и климатических условиях арктического региона России. Ключевые слова:

геоэкологическая безопасность, породный массив, инженерный барьер, бетон, подземное размещение, атомные станции малой мощности, российская Арктика.

MULTI-BARRIER SAFETY SYSTEM FOR CONSTRUCTION AND EXPLOITATION OF UNDERGROUND SMALL NUCLEAR POWER PLANTS UNDER THE RUSSIAN ARCTIC CONDITIONS

Yuriy G. Smirnov, Alexander O. Orlov

Mining Institute of the KSC of the RAS

Abstract

The paper considers main concepts for creation of a multi-barrier safety system for underground small nuclear power plants which can be an alternative source of electric and thermal energy during developing the Russian Arctic regions. This can be achieved by applying natural and artificial engineering barriers. The natural-engineering system "geological environment — engineering barrier" is a fundamental element to provide safety for an underground small nuclear power plant under complicated mining and geological and climatic conditions of the Russian Arctic region.

Keywords:

geoecological safety, rock mass, engineer barrier, concrete, underground location, small nuclear power plants, Russian Arctic.

Особенностью строительства и эксплуатации подземных радиационно опасных подземных объектов являются: высокий уровень ответственности сооружений; использование материалов с длительным периодом отрицательного воздействия на конструктивные элементы; высокие экологические риски; незначительный мировой и отечественный опыт в области создания подобных комплексов. Основная идея сооружения

Ю. Г. Смирнов, А. О. Орлов подземных атомных станций малой мощности (АСММ) заключается в создании безопасных комплексов, способных противостоять любому внешнему и внутреннему отрицательному воздействию. Окружающий породный массив при этом используется как основной защитный барьер, а подземное строительство допустимо практически в любых горно-геологических и климатических условиях.

Автономные подземные станции с энергетическими ядерными установками при высокой степени надежности могут использоваться в качестве безопасных источников электрической и тепловой энергии для решения оборонно-стратегических и социально-экономических задач при освоении арктических регионов России.

Гарантией геоэкологической безопасности подземных АСММ на период ее строительства и эксплуатации является устойчивость геологической среды, определяемая разномасштабными факторами, основными из которых являются:

• геодинамическая стабильность массива горных пород;

• постоянство гидрогеологического режима поверхностных и грунтовых вод;

• неизменность физико-механических свойств горных пород и их устойчивость к внешним воздействиям (вибрация, фильтрация вод и т. д.).

Важным конструктивным элементом защиты от воздействия радиационно опасного объекта на внешнюю среду являются многобарьерные инженерные системы, которые должны обеспечить безопасное функционирование АСММ в течение всего времени его существования. Для обеспечения безопасной работы станции важную роль играют отработка технологии формирования первичного инженерного барьера, его радиационного, температурного и физико-механического режимов. К ключевым инженерным барьерам относятся строительные бетонные (железобетонные) конструкции, перемычки и крепь подземного комплекса.

Основные функциональные задачи инженерных барьеров:

• предотвращение миграции радионуклидов в окружающую среду;

• передача тепла и его рассеивание во вмещающем породном массиве;

• защита от проникновения поверхностных и подземных вод;

• ограничение распространению деформаций и разрушений элементов приконтурной зоны породного массива;

• компенсации механических напряжений при статических нагрузках.

Требования к минеральным материалам, используемым в качестве инженерных барьеров, определяются конкретной областью применения. В качестве основных можно сформулировать следующие: радиационная стойкость, пожаробезопасность, коррозионная стойкость, сорбционные свойства, гидроизоляционные характеристики, возможность механической транспортировки, обеспечение отвода тепла, отсутствие газовыделения, способность к отводу газов. Кроме того, для каждой выбранной геологической среды при разработке технических решений необходимо использовать хорошо изученные и апробированные конструкционные материалы [1].

Следует отметить, что в многобарьерной защите общепринятое современное представление о роли крепей, обделок и строительных конструкций подземных сооружений (например, при подземном размещении радиоактивных отходов), используемых в качестве изолирующего элемента, не придает какого-либо серьезного значения инженерной защите со ссылкой на их возможную деструкцию в начальный период функционирования радиационно опасных объектов.

Многобарьерная система безопасности при строительстве ...

Безусловно, эффективность барьеров во многом связана со временем их функционирования и по этой причине следует учитывать, что конструкционные материалы при длительном использовании в определенной степени могут быть подвержены разрушению при одновременном изменении физико-механических свойств [2].

В настоящее время разработан и используется большой ассортимент современных конструкционных материалов на основе бетонных смесей с высокими прочностными и гидроизоляционными свойствами. Обоснованный подбор составляющих бетона (цемент, заполнитель, добавки), предназначенных для крепей и строительных конструкций, позволяет эффективно использовать эти компоненты в качестве инженерных барьеров. Принципиальная схема расположения реакторной установки в подземных условиях показана на рисунке.

Принципиальная схема расположения реакторной установки в горной выработке [3]

Долговечность и надежность инженерных барьеров зависит от используемых материалов и технологий их формирования. При этом применяемый изолирующий материал должен способствовать полному устранению или существенному ограничению потока грунтовых вод, а также противостоять действию высоких температур и за счет переноса тепла в породный массив обеспечивать температурный режим, соответствующий санитарно-гигиеническим нормам.

С учетом указанных требований материалы для искусственных барьеров радиационно опасных объектов как исходное сырье для строительства подземного комплекса, встроенных конструкций и крепей и обделок должны характеризоваться следующими основными свойствами:

Ю. Г. Смирнов, А. О. Орлов

• большое гидравлическое сопротивление (низкая гидравлическая проводимость);

• высокая механическая прочность;

• достаточная пластичность, чтобы барьер мог выдерживать относительные смещения;

• стойкость и долговечность, то есть способность сохранять заданные свойства в течение всего предусмотренного срока существования радиационно опасного объекта;

• приемлемая стоимость.

Бетон как материал для радиационной защиты стал применяться одновременно с началом строительства первых ядерных установок различного назначения. В настоящее время в России и за рубежом разработано большое количество бетонов для радиационной защиты на различных составляющих. При этом бетоны различаются по плотности, классу прочности, виду используемых заполнителей и вяжущего, содержанию в них специальных защитных материалов или химических элементов, диапазону рабочих температур, технологическим характеристикам. Широкое применение при строительстве АЭС нашли обычные тяжелые и особо тяжелые бетоны [4].

Бетон в этом случае должен иметь следующие характеристики:

• прочность на сжатие — В22,5-В30;

• прочность на осевое растяжение — ВД,6-В12,4;

• прочность на растяжение при изгибе — В^, 2,4-Вй,3,3;

• водонепроницаемость — W6-W8;

• объемная масса — Д2200-Д2400.

При использовании строительных конструкций и крепей в качестве инженерных барьеров, наряду с прочностными свойствами и проницаемостью, исключительное значение имеет их долговечность. В соответствии с нормативными требованиями система инженерных барьеров на протяжении эксплуатации подземного комплекса, включая постэксплуатационный период, должна обеспечивать радиационную безопасность без учета защитных свойств геологической формации (породной среды).

Конструктивные элементы, предназначенные для размещения АСММ, а также крепи возводятся с использованием бетонов, подверженных воздействию внешней среды, поэтому с течением времени в них развиваются коррозионные процессы. Чтобы избежать развития подобных процессов или замедлить их протекание, рекомендуется принимать специальные меры по повышению долговечности бетона. Увеличение сроков эксплуатации железобетонных конструкций подземных сооружений в первую очередь может быть достигнуто за счет использования наиболее стойких по отношению к коррозии цементов, так как именно цементный камень, как наиболее химически активный компонент бетона, особенно подвержен разрушающему воздействию агрессивной среды.

При разработке эффективных материалов инженерной защиты для подземного комплекса АСММ необходимо учитывать, что в арктическом регионе, в частности на Кольском п-ове, сосредоточены крупные месторождения различных видов минерального сырья, в том числе горных пород, пригодных для производства щебня. Существует также реальная возможность полить данный инертный заполнитель бетона из вскрышных пород на предприятиях горнодобывающего комплекса, что существенно повысит экономическую эффективность и физическую привлекательность строительства.

Многобарьерная система безопасности при строительстве ... Внутренним инженерным барьером, обеспечивающим безопасную эксплуатацию АСММ, в определенной степени может быть также гермооболочка (герметичная оболочка; защитная оболочка; гермозона, контейнмент) ядерной энергетической установки. Это пассивная система безопасности, главной функцией которой является предотвращение выхода радиоактивных веществ в окружающую среду при тяжелых авариях. Защитная оболочка представляет собой массивное сооружение специальной конструкции, в котором располагается основное оборудование реакторной установки [5, 6].

Вместе с тем, подземное размещение АСММ позволяет исключить сложную систему защитной оболочки, которая применяется на наземных атомных станциях. Защитную функцию этой системы безопасности может выполнять комплекс подземных выработок, позволяющий локализовать последствия различных внутренних инцидентов и внешних воздействий. Учитывая это, природно-техническая система «геологическая формация — инженерный барьер» является первостепенным элементом обеспечения безопасности подземного комплекса АСММ.

Таким образом, подземное размещение атомных станций малой мощности в условиях арктического региона России позволит обеспечить гарантированный уровень безопасности альтернативного источника энергообеспечения, особенно в районах со сложными климатическими, горно-геологическими и транспортными условиями. Основная концептуальная идея сооружения АСММ заключается в создании безопасных подземных комплексов, в структуре которых окружающий породный массив используется как основной защитный барьер.

ЛИТЕРАТУРА

1. Научные и инженерные аспекты безопасного захоронения радиационно опасных материалов на Европейском Севере России / Н. Н. Мельников [и др.]. Апатиты: КНЦ РАН, 2010. 305 с. 2. Смирнов Ю. Г., Орлов А. О. Анализ мирового опыта строительства подземных атомных станций и оценка возможности его использования для арктических регионов России // Вестник МГТУ: труды Мурманского государственного технического университета. 2016. Т. 19, № 1/1. С. 47-52. 3. Типичные схемы ядерных реакторов. URL: http://myelectro.com.ua/92-atomnaya-energetika/137-tipichnye-skhemy-yadernykh-reaktorov (дата обращения: 01.12.2016). 4. Строительство атомных электростанций: учеб. пособие для студентов строительных вузов / В. Б. Дубровский [и др.]. М.: Энергия, 1979. 232 с. 5. Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения: 02.12.2016). 6. Глоссарий для подготовки официальных сообщений для населения по вопросам риска в случае ядерных/радиационных аварий / АО «Концерн Росэнергоатом». URL: http://glossary.ibrae.ac.ru/index.php/ (дата обращения: 02.12.2016).

Сведения об авторах

Смирнов Юрий Геннадьевич — научный сотрудник Горного института Кольского научного центра РАН

E-mail: smirnov@goi. kolasc.net.ru

Орлов Александр Орестович — научный сотрудник Горного института Кольского научного центра РАН

E-mail: aleor@goi.kolasc.net.ru Author Affiliation

Yuriy G. Smirnov — Researcher, Mining Institute KSC RAS E-mail: smirnov@goi.kolasc.net.ru

Alexander O. Orlov — Researcher, Mining Institute KSC RAS E-mail: aleor@goi.kolasc.net.ru

Ю. Г. Смирнов, А. О. Орлов Библиографическое описание статьи

Смирнов, Ю. Г. Многобарьерная система безопасности при строительстве и эксплуатации подземных атомных станций малой мощности в условиях Российской Арктики / Ю. Г. Смирнов, А. О. Орлов // Вестник Кольского научного центра РАН. 2017. — № 1 (9). — С. 93-98.

Reference

Smirnov Yuriy G., Orlov Alexander O. Multi-Barrier Safety System for Construction and Exploitation of Underground Small Nuclear Power Plants Under the Russian Arctic Conditions. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 1 (9), pp. 93-98 (In Russ.).