Введение к работе
Актуальность работы. Производство атомной энергии является одним из основных направлений развития мировой энергетики в настоящее время. Однако результатом работы ядерной энергетики является образование радиоактивных отходов (РАО). В основном, это связано с деятельностью атомных электростанций (АЭС), предприятий по добыче и переработке урановых руд, морского и гражданского атомных флотов. В настоящее время в нашей стране скопилось значительное количество радиоактивных отходов. Особенно неблагоприятная ситуация сложилась в Северо-Западном регионе России. Приповерхностные хранилища РАО Сосновоборской АЭС исчерпали свои ресурсы. Кроме того, приповерхностные хранилища не могут полностью гарантировать радиоэкологическую безопасность их эксплуатации. Весьма тяжелая ситуация со складированием РАО существует также и на Кольском полуострове.
Изоляция радиоактивных отходов является важной и насущной проблемой для стран, которые используют атомную энергию. Исследователи со всего мира сошлись во мнении, что использование подземного пространства является наилучшим выбором для долговременного хранения РАО.
Выбор месторасположения площадки для захоронения РАО и обоснование конструкции подземного хранилища являются важнейшей составляющей безопасного хранения РАО.
США, Бельгия, Канада, Китай, Финляндия, Франция, Германия, Япония, Россия, Испания, Швеция, Швейцария и Великобритания инвестируют значительные средства в программы обращения с радиоактивными отходами.
Общий подход к созданию потенциального подземного хранилища заключается в выборе площадки, пригодной для захоронения РАО, геологической оценке, разработке схемы подземного хранилища, выбора типа контейнера для хранения РАО и других изолирующих материалов, системы транспортировки РАО до потенциального хранилища.
В качестве геологических формаций для размещения подземных хранилищ РАО в России и за рубежом применяются мощные слабопроницаемые массивы глин, каменной соли, гранита и прочих пород кристаллического типа.
С.-Петербург
ОЭ 2oaA«W
Проблемы создания атомных подземных станций и подземных хранилищ РАО рассматривались в работах Кедровского О.Л., Конухина В.П., Котенко Е.А., Кулагина Н.И., Мельникова Н.Н., Петрова Э.Л., Протосени А.Г., Шищица И.Ю., Якушева М.Ф. и других.
Большой вклад в разработку методов расчета нагрузок на крепь и исследования процессов деформирования грунтовых массивов вокруг подземных сооружений внесли Айвазов Ю.Н., Баклашов И.В., Безродный К.П., Булычев Н.С., Ваучский Н.И., Голицинский Д.М., Картозия Б.А., Ковалев О.В., Меркин В.Е., Фотиева Н.Н., Фролов Ю.С., Черников А.К. и другие.
Изучению теплофизических процессов в горных выработках и теплофизических свойств горных пород занимались Богуславский Э.И., Гендлер С.Г., Дмитриев А.П., Дядькин Ю.Д., Кремнев О.А., Щербань А.Н., Шувалов Ю.В. и другие.
Вместе с тем, в настоящее время не изучены свойства глин при воздействии на них радиации и температуры, слабо исследованы теплофизические и геомеханические процессы вокруг подземных сооружений хранилищ, не разработаны методы расчета геостатической и нестационарной тепловой нагрузок на крепь выработок с учетом технологии их строительства и недостаточно обоснованы компоновочные решения подземных хранилищ РАО и параметров их крепи в синих глинах.
Цель диссертационной работы. Создать надежное с позиций механики подземных сооружений хранилище РАО в глинистых формациях.
Идея работы. Обеспечение радиоэкологической безопас
ности и решение проблемы захоронения радиоактивных отходов
путем создания в подземном пространстве искусственных
сооружений для изоляции и нераспространения РАО, компоновка и
конструктивные размеры которых определяются на основании учета
теплового воздействия, радиации и совместного
термомеханического расчета взаимовлияющих конструкций.
Основные задачи исследования;
оценка физико-механических свойств глин и анализ влияния радиации и повышенной температуры на эти свойства;
разработка геомеханической модели взаимодействия системы
"крепь-массив" и выявление закономерности распределения напряжения вокруг камер РАО;
разработка методики расчёта нагрузки на крепь и расчёта крепи с учетом геологических и технологических особенностей применительно к подземным хранилищам, размещенным в синих глинах;
горно-геологическое обоснование схемы компоновочного решения подземного хранилища РАО применительно к синим глинам.
Методы исследований. Оценка физико-механических свойств глины по данным лабораторных исследований; математическое моделирование процессов переноса тепла от РАО в грунтовый массив; анализ напряженно-деформированного состояния системы "крепь-массив" методом конечных элементов; сравнительный анализ натурных и расчетных нагрузок на крепь.
Научная новизна работы:
выявлена взаимосвязь изменения температуры вокруг хранилища РАО, наличие участков возрастания и убывания температуры во времени, в зависимости от расстояния между взаимовлияющими тоннелями и величины тепловыделения, что позволяет оптимизировать параметры сети расположения выработок подземного хранилища РАО;
установлен эффект уменьшения неравномерных нагрузок на обделку подземного сооружения для захоронения РАО с течением времени, имеющих эллиптический характер распределения при геостатической нагрузке и выравнивающихся до равномерного их распределения по окружности за счет температурного воздействия, что создает более благоприятные условия для работы обделки.
Защищаемые научные положения:
- геомеханическая модель взаимодействия обделок подземных
сооружений с грунтовым массивом должна учитывать
нестационарное тепловое воздействие от РАО, а также влияние
радиации, теплового расширения и структурного ослабления на
прочностные и деформационные характеристики пород и
материала крепи;
расчет нагрузок на крепь камеры РАО необходимо выполнять по методике, основанной на учете температурного и радиоактивного воздействия, совместного влияния тоннелей друг на друга и технологии возведения обделок;
предложенные конструкции подземного хранилища спирального и панельного типа позволяют обеспечить высокий уровень технологичности при его строительстве и безопасность при эксплуатации, параметры выработок должны обосновываться на основании моделирования процессов теплопереноса от РАО в породный массив, а конструкция крепи на основании термопрочностного расчета.
Практическая значимость работы:
разработана методика расчета нагрузок на обделки одиночных и взаимовлияющих подземных сооружений хранилищ радиоактивных отходов в глинистых формациях;
разработаны компоновочные решения и обоснованы параметры подземных хранилищ радиоактивных отходов спирального и панельного типа в синих глинах Юго-Западной части Ленинградской области. На подземное хранилище спирального типа получен патент РФ (№2265904 от 28.06.2004 г.)
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций: обеспечивается натурными исследованиями работы обделки крепи перегонных тоннелей, использованием современных методов геомеханики, численного моделирования, достаточной сходимостью величин расчетных нагрузок с натурными данными.
Апробация диссертации. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых и студентов в 2003-2005 (СПГТИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова, Санкт-Петербург); международной конференции "Проблемы подземного строительства в XXI веке" (Тульский государственный университет, Тула, 2003); конференции молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (2004); на заседаниях кафедры Строительство горных предприятий и подземных сооружений СПІТИ (ТУ) и получили одобрение.
Личный вклад автора заключается:
в разработке геомеханической модели взаимодействия обделки подземных сооружений хранилища РАО с грунтовым массивом; решении задачи теплопереноса тепла от контейнеров РАО в грунтовый массив;
в проведение численного моделирования процессов деформирования массива вокруг хранилища РАО;
в обосновании параметров крепи камер РАО;
в разработке компоновочных решений хранилищ РАО.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в вузовских и межвузовских сборниках научных трудов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа
изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, введение и заключение, список использованной литературы из 125 наименований, 63 рисунков, 10 таблиц и 4 приложения.
