Изоляционные свойства и механизмы проницаемости кристаллической соли

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. ЗАХОРОНЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
В КАМЕННОЙ СОЛИ (литературный обзор) 15
1.1 Захоронение радиоактивных отходов в горных породах 15
1.1.1. Сравнение изоляционных свойств магматических, метаморфических и
осадочных пород при высоких температурах и давлениях 16
1.2.Барьерные свойства соляных формаций ] 7
1.3. Механизм перемещения включений в кристалле соли во внешних ірадиентньїх полях 19
1.3.1. Движение жидкого включения в монокристалле в поле градиента
механических напряжений 19
1.3.2. Движение газожидких включений в кристалле в поле температурного градиента 20
1.3.3. Перемещение жидких включений в кристалле соли при наличии температурного градиента 22
1.4. Влияние кристаллографической текстуры горных пород на анизотропию изоляционных свойств 23
1.4.1. Кристаллографическая текстура. Текстура формы 23
1.4.2. Основные типы кристаллографических текстур 26
1.5. Обоснование цели и задач исследования 27
Глава 2. НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ КАМЕННОЙ СОЛИ 30
2.1. Экспериментальные методы исследования кристаллографической текстуры и решеточных термоупругих напряжений галоидной горной породы с помощью дифракции нейтронов на импульсном реакторе ИБР-2 30
2.2.1. Спектрометр для количественного анажза текстур (СКАТ) 31
2.2.2. Фурье-дифрактометр высокого разрешения (ФДВР) 34
2.2. Экспериментальный метод измерения анизотропии скоростей ультразвуковых волн на сферическом образце 37
Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД 39
3.1. Температурные свойства соляной породы 39
3.2. Численный метод исследования транспортных свойств кристаллической соляной породы 41
Выводы по главе 3 48
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА НА ПРОНИЦАЕМОСТЬ КАМЕННОЙ СОЛИ (1ЧаС1) 49
4.1. Расчет температурных характеристик соляного массива в окрестности тепловыделяющего источника 49
4.1.1. Решение задачи в одномерном представлении 49
4.1.2. Расчет температурного распределения в пространстве 50
4.2. Вычисление верхней оценки скорости движения жидкого включения в кристаллической соли иод действием заданного температурного градиента 53
4.3. Особенности движения жидкого включения в кристалле соли под действием градиента температуры 55
Выводы по главе 4 57
Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБРАЗЦОВ КАМЕННОЙ СОЛИ 58
5.1. Результаты экспериментального исследования кристаллографической текстуры и внутренних термоупругих напряжений соляных образцов 58
5.2. Результаты измерения анизотропии скоростей продольных
ультразвуковых волн на образцах соли при различных всесторонних
давлениях 61
5.3 Моделирование радиационных превращений в солях 62
5.3.1. Эксперимент с использованием ускорителя 62
5.3.2. Результаты исследования структуры необлучснных и облученных электронными пучками образцов каменной соли 64
Выводы по главе 5 67
ГЛАВА 6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 76
ПРИЛОЖЕНИЕ
87
ВВЕДЕНИЕ
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 предельно допустимых критериев оценки состояния природной среды, при которых обеспечивается геоэкологическая безопасность на длительный срок (сотни лет) существования хранилищ и захоронений высокорадиоактивных отходов (ВАО) и отработанного ядерного топлива (ОЯТ).
Главное требование к объектам хранения РАО - обеспечение надежной изоляции радионуклидов на период их потенциальной радиобиологической опасности. А в случае захоронения ВАО этот период составляет десятки, сотни лет. Столь продолжительный срок устойчивой защиты окружающей среды может достигаться за счет мульти-барьерных систем, которые включают комплекс инженерных сооружений (контейнеров и т.д.) и вмещающие их породы (геологический барьер). Мульти-барьерная защита окружающей среды (согласно рекомендациям МАГАТЭ) требует сохранения изоляционных свойств в породах, подверженных длительному воздействию горного давления свыше 50 МПа, температуры до 300°С. В научной литературе широко освещается тематика, нацеленная на поиск наиболее подходящих горных пород, пригодных для строительства хранилищ. По результатам сравнения барьерных свойств разных типов горных пород некоторые авторы приходят к мнению, что одними из предпочтительных горно-геологических объектов являются кристаллические галоидные формации [98].
Каменная соль обладает высокой теплопроводностью, что позволит быстро отводить тепло от разогретого захоронения. Кроме того, под давлением мощных толщ вышележащих горных пород она становится
высокопластичным материалом, что способствует залечиванию возникающих под действием высоких температур и давлений трещин, дефектов и нарушений. И наконец, соляная порода является одной из наиболее доступных, на разных континентах существует большое количество геологических формаций с отработанными соляными шахтами.
При оценке изоляционных характеристик среды важную роль играют процессы ми фации содержащихся в ней жидких и газожидких флюидов. Тип и скорость течения флюида зависят от физико-химических свойств пород, прежде всего, от их растворимости. Важнейшей характеристикой этих свойств является проницаемость. Этот параметр количественно определяет изоляционные свойства среды.
Исследованию проницаемости горных пород посвящено большое количество зарубежных и отечественных теоретических и экспериментальных работ. Авторами - [36, 37, 73 и др.] достаточно подробно изучен процесс флюидопроницаемости среды, обусловленный наличием в ней свободного пространства, представленного порами и трещинами. Это основной механизм проницаемости трещино-пористой среды. Он основан на представлении, что движение флюида осуществляется как по трещинам, так и через поры; флюиды по пути своего движения периодически переходят из трещинных каналов в свободное (поровое) пространство вмещающих пород и наоборот. Этими же авторами было исследовано влияние расположения трещин на проницаемость трещинно-пористой среды. Были получены численные решения задачи фильтрации для моделей среды с регулярной системой параллельных не сообщающихся трещин [36, 37]. В частности, было показано, что значения эффективной проницаемости для шахматного и коридорного расположения трещин можно рассматривать как соответственно верхнюю и нижнюю границы интервала оценочных значений проницаемости трещинно-пористой среды. Кроме того, упомянутыми авторами были разработаны экспериментальные методы для измерения проницаемости среды. В монографии [73] приведены результаты исследований трещино-
пористой проницаемости горных пород при температурах до 600°С и эффективных давлениях до 200 МПа.
В работах - [77, 11, 12, 524, 96 и др.] исследовался другой 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. Указанными авторами было проведено большое количество экспериментов по наблюдению процессов перемещения включений. В частности, ими 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 в интервале нескольких сантиметров в год. Кроме того, в работах - [77, 13, 96] на основании опытных наблюдений были установлены некоторые закономерности рассматриваемых процессов движения включений:
- чем больше размер включения, тем выше 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 маленьких.
Также экспериментально наблюдался процесс перемещения жидкого включения в кристалле в поле созданных в нем сжимающих напряжений [15].
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 учета процессов движения содержащихся в соляной среде жидких включений, осуществляемого по двум рассмотренным механизмам проницаемости, т.е. 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 [39].
На данном этапе весьма актуально оценить изоляционные свойства галоидной горной породы вблизи расположения подземного хранилища РАО. При этом необходимо учесть величину проницаемости соляной породы, осуществляемой посредством двух возможных механизмов: движение включений по трещинам и порам и появление дополнительного перемещения жидких включений вдоль кристалла под влиянием градиента температуры и/или напряжения.
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:
Задача 1: 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.
Задача 2: Измерить анизотропию скоростей продольных
ультразвуковых волн на сферических образцах соли при повышенных давлениях и оценить трещиноватость породы.