Введение к работе
Актуальность исследований
Актуальной и неотложной проблемой является безопасное длительное хранение и утилизация радиоактивных отходов (РАО) атомной энергетики в местах, где они не будут представлять опасности для людей и окружающей среды. Принципиально важным моментом является разработка научно обоснованных допустимых критериев оценки состояния природной среды, при которых обеспечивается геоэкологическая безопасность на длительный срок (сотни лет) существования хранилищ и захоронений высокорадиоактивных отходов (ВАО).
Столь продолжительный срок устойчивой защиты окружающей среды может достигаться за счет мультибарьерных систем, которые включают комплекс инженерных сооружений (контейнеров и т.д.) и вмещающие их породы (геологический барьер). Мультибарьерная защита окружающей среды (согласно рекомендациям МАГАТЭ) требует сохранения изоляционных свойств в породах, подверженных длительному воздействию горного давления свыше 50 МПа, температуры 300С.
По результатам сравнения барьерных свойств разных типов горных
пород некоторые авторы приходят к мнению, что одними из
предпочтительных горных геологических объектов являются
кристаллические галоидные формации.
Каменная соль обладает высокой теплопроводностью, что позволит быстро отводить тепло от разогретого захоронения. Кроме того, это высокопластичный материал, способствующий залечиванию возникающих под действием высоких температур и давлений трещин, дефектов и нарушений. И, наконец, на разных континентах существует большое количество геологических формаций с отработанными соляными шахтами.
При оценке изоляционных характеристик среды важную роль играют процессы миграции содержащихся в ней жидких и газожидких флюидов. Тип и скорость течения флюида зависят от физико-химических свойств породы,
ее растворимости. Важнейшей характеристикой, количественно
определяющей фильтрационные способности среды, является проницаемость.
Рядом исследователей достаточно подробно изучен процесс флюидопроницаемости среды, обусловленный наличием в ней свободного пространства, представленного порами и трещинами. Это основной механизм проницаемости трещинно-пористой среды. Он основан на представлении, что потоки флюида происходят по трещинному и поровому пространству.
Другой группой ученых исследовался иной физический механизм проницаемости, характерный для хорошо растворимых в воде кристаллических пород, находящихся во внешних тепловых градиентных полях. Данный механизм заключается в том, что жидкое включение самопроизвольно перемещается в кристалле в более нагретую его область. Это связано с растворением вещества кристалла на разогретой границе включения и его осаждением на противоположной стороне. Экспериментально установлено, что водные пузырьки с характерными размерами около 50 мкм, находящиеся в кристалле соли, перемещаются в поле с градиентом температуры 10-100 град/см со скоростями порядка нескольких сантиметров в год. Кроме того, на основании опытных наблюдений были установлены некоторые закономерности рассматриваемых процессов движения включений: чем больше размер включения, тем больше скорость его движения; движущееся включение деформируется в направлении, перпендикулярном тепловому градиенту; со временем включение с тыльной стороны (менее нагретой) начинает распадаться на более мелкие частицы, или большие капли делятся на несколько более мелких.
Также экспериментально установлено существование процесса перемещения жидкого включения в кристалле в поле созданных в нем сжимающих механических напряжений.
В окрестности подземного хранилища РАО неизбежно будут возникать области повышенных температур и механических напряжений. В этих условиях следует ожидать и рост трещиноватости породы. Все это дает предпосылки для необходимости учета процессов движения содержащихся в соляной среде жидких включений, осуществляемого по двум рассмотренным механизмам проницаемости. Так как по мере приближения к месту захоронения температура и механические напряжения среды растут, то можно ожидать преимущественного перемещения включений в сторону стенок хранилища. В случае нарастания потока включений они могут со временем сконцентрироваться в местах расположения тепловыделяющих контейнеров с отходами и способствовать обрушению стенок захоронения.
Основные цели и задачи работы
Целью данной работы является: проведение экспериментальных и теоретических исследований для оценки возможной потери изоляционных свойств (изменения проницаемости, трещиноватости, и др.) галоидных горных пород - потенциальных подземных хранилищ ВАО - в условиях меняющихся тепловых и механических полей.
Для ее достижения был поставлен ряд задач:
Определить структурные и текстурные параметры образцов каменной соли методом нейтронной дифракции; оценить степень анизотропии образцов; получить и проанализировать температурные зависимости внутренних решеточных напряжений соляной породы с помощью рассеянных нейтронов.
Измерить анизотропию скоростей продольных ультразвуковых волн на сферических образцах соли при повышенных давлениях и оценить трещиноватость породы.
Рентгенографически исследовать изменения параметров решетки образцов каменной соли после облучения сильноточными электронными пучками и оценить степень радиационного влияния излучения на соляную породу.
Рассчитать тепловые характеристики (значения температур и тепловых градиентов) соляной породы, возникающие в окрестности теплоизлучающего источника (захоронения РАО).
Теоретически оценить максимально возможные скорости движения жидких включений в солях под действием градиента температуры. Исследовать основные особенности этого движения.
На основе анализа полученных данных дать заключение и рекомендации по строительству хранилищ РАО в галоидных горных массивах.
Объекты исследования
В качестве объектов исследования использовались образцы природной каменной соли Соликамского месторождения, представленные в виде порошка (для структурных исследований), сферических объектов диаметром 50 мм (для ультразвуковых и текстурных) и пластинок (для рентгенографических и ускорительных исследований).
Методы исследования
Теоретические исследования осуществлялись численными методами. Для основных расчетов использовались уравнения математической физики: теплопроводности и диффузии. Экспериментальные решения поставленных задач были получены с помощью методов нейтронографии (дифракции тепловых нейтронов), лучевого акустического зондирования, воздействия пучками быстрых электронов, а также рентгеноструктурного анализа.
Научная новизна
Впервые произведен учет проницаемости кристаллической горной породы, осуществляемой посредством двух возможных механизмов: движение присутствующих включений по трещинам и порам и появление дополнительного перемещения жидких
включений вдоль кристалла под влиянием тепловых градиентных полей.
С целью получения более полного представления о свойствах
соляной породы впервые проведены комплексные
нейтронографические структурные и текстурные измерения образцов кристаллической галоидной породы. Для этого были использованы в совокупности два основных метода: нейтронографический и рентгенографический, а также метод ультразвукового зондирования.
На основании данных об изменении скоростей упругих волн при различных всесторонних давлениях, а также величин плотности получена информация о невысокой пористости и трещиноватости исследуемой породы. Этот факт позволил обосновать необходимость учета механизма градиентной флюидопроницаемости.
Разработан алгоритм для расчета тепловых (значений температур и тепловых градиентов) и транспортных (максимально возможные скорости движения жидких включений и его основные особенности) характеристик кристаллической галоидной горной породы.
Научная и практическая значимость работы
Научная ценность работы заключается в разработке алгоритма для оценки транспортных свойств кристаллической галоидной породы, дополненного экспериментальными исследованиями изоляционных характеристик среды.
На практике полученные теоретические и экспериментальные данные позволят оценить вероятное направление и величину перемещений водных включений в поле тепловых градиентов вблизи размещенных в шахте контейнеров с тепловыделяющими веществами. В результате проведенных исследований можно предложить дополнительные требования к возможным типам горных пород, используемым для размещения захоронений РАО. А именно, при планировании размещения хранилищ РАО в соляных горных выработках, зная возможные предельные
температуры и механические напряжения, необходимо оценить степень и ориентацию трещиноватости породы, а также следует исключить присутствие в выбранной области большого скопления крупных (размером порядка 1 мм и выше), вытянутых жидких включений.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты нейтронно-дифракционных структурных и текстурных исследований образцов природной каменной соли Соликамского месторождения. Расчет температурной зависимости в широком интервале температур (20-300 С) внутренних решеточных напряжений.
Результаты рентгеноструктурных исследований структурных параметров образцов галоидной породы, находящихся в двух состояниях: естественном и после процесса облучения быстрыми электронами и доказательство появления в породе после облучения дополнительных внутрикристаллических напряжений.
Теоретическая модель процесса перемещения
макроскопического жидкого включения через соляную матрицу, находящуюся в градиентном тепловом поле и проведенная в рамках модели количественная оценка транспортных свойств каменной соли. Доказательства увеличения скорости перемещения включения с ростом его размера, формоизменения (вытягивание включения в поле градиента температуры) и распада включения на более мелкие части.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке методов и алгоритмов для их решения, проведении теоретических исследований, обработке данных, формулировке выводов в статьях, докладах и диссертации. Основные опубликованные результаты получены при основном участии автора.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации были представлены на следующих научных конференциях: VII международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Борок, 2006; XII научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2008; XIII научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2009; а также на семинарах НЭО НИКС ЛНФ ОИЯИ, 2006-2009.
Материалы диссертации опубликованы в работах 1-6.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается
использованием надежных инструментов и методик, а также хорошим соответствием полученных данных уже известным, опубликованным в научной литературе.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы (107 наименований). Работа содержит 86 страниц, включая 22 рисунка и 3 таблицы.
На разных этапах работа была поддержана грантами РФФИ.
