Несмотря на то, что усилия по ликвидации последствий аварии на японской АЭС "Фукусима" служат суровым напоминанием об отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), хранящемся на АЭС во всем мире, принятое в 2009 году решение о ликвидации горы Юкка в качестве постоянного полигона захоронения омрачило надежды на то, что в Соединенных Штатах в ближайшее время появится хранилище ОЯТ и других ядерных отходов высокого уровня активности (ВАО).
Около 70 000 метрических тонн ОЯТ находятся в резервуарах или сухих ёмкостях на 75 объектах по всей территории Соединенных Штатов, и неопределенность относительно их судьбы затрудняет будущее развитие атомной энергетики, увеличивает расходы на энергообеспечение и создает обязательства для налогоплательщиков США.
Однако отказ от горы Юкка может также привести к расширению геологических возможностей размещения ядерных отходов в Америке. Сланцы и другие аргиллитные формации (глинистые породы, глины и аналогичные богатые глиной среды) отсутствуют в американской программе хранилищ.
Напротив, Франция, Швейцария и Бельгия планируют создать хранилища в аргиллитных формациях после обширных исследований в подземных лабораториях по вопросам безопасности и целесообразности. Другие страны, Япония, Канада и Великобритания, изучают аргиллитные образования или могут рассмотреть их в своих программах размещения.
Почему аргиллитовые образования?
Они имеют низкую проницаемость. Проточные подземные воды являются вероятным средством, с помощью которого ядерные отходы в подземном хранилище могут выбрасываться и загрязнять биосферу.
Геологические среды, богатые глиной, в миллионы - десятки миллиардов раз менее проницаемы, чем продуктивные водоносные горизонты и залежи углеводородов. Низкая проницаемость позволяет предположить, что аргиллитные формации могут стать эффективными геологическими барьерами для миграции компонентов ОЯТ и ВАО из хранилища.
Более того, аргиллитовые среды являются распространенными и объемными осадочными породами и часто встречаются в относительно старых и стабильных геологических условиях. Таким образом, тектонически тихие осадочные участки с толстыми глинистыми породами могут обладать рядом желательных качеств для размещения в них значительных и растущих запасов ядерных отходов.
Различный подход к проницаемости в аргиллитовых формациях
В то время как другие геологические материалы, включая кристаллические породы, как гранит, часто имеют очень низкую проницаемость, они почти всегда пересекаются водопроводящими трещинами и разломами.
Определение наличия или отсутствия этих признаков в горных породах в объеме хранилища - удивительно сложная задача. Они наиболее надежно обнаруживаются с помощью скважин.
Интересный альтернативный подход возможен в глинистых формациях и является доказательством того, что многие из них на удивление свободны от водопроводящих элементов. Исследования легкодоступных (глубиной менее ~1 километра) аргилловых формаций дали удивительный результат: около половины из них имеют аномальную структуру давления подземных вод, относящуюся к энергетическим градиентам, проталкивающим чистый поток в пласт или из него без видимой причины.
Нигде это не встречается более впечатляюще, чем в Велленберге, Швейцария, где давление в аргиллитовом мергеле на 8 мегапаскалей ниже, чем ожидалось. Аналогичная картина была обнаружена в Онтарио (Канада), где в сланцевом массиве надежно измерены гидравлические напоры на глубине 200 метров ниже уровня моря.
Такое давление, по-видимому, легче всего объяснить реакцией на воздействие геологических процессов, обычно проявляющейся в деформации, при этом величина аномалии отражает баланс между силой воздействия и скоростью, с которой давление нормализуется потоком.
В этом свете аномалии давления - как отрицательные, так и положительные - по существу являются проблеском крупномасштабных экспериментов по проницаемости, продолжавшихся десятки тысячелетий. В Велленберге низкое давление, по-видимому, было вызвано тем, что вес континентального ледового покрова выдавливал небольшое количество грунтовых вод из горной породы; после отступления льда горная порода эластично расширялась быстрее, чем могла влиться обратно подземная вода.
Аргиллитные формации с аномально низким давлением являются особенно интересными кандидатами в хранилища, так как грунтовые воды в них, по-видимому, всасываются. Это усилит изоляцию отходов, размещенных в пласте, поскольку внутренний поток будет препятствовать выбросу отходов в окружающую среду.
Однако потоки подземных вод, связанные с аномалиями давления, крайне малы, что обычно приводит к перемещению всего на сантиметры за долгое время даже при самых больших движущих силах. В результате поток подземных вод практически не переносит растворы; То малое, что происходит, в основном, происходит из-за молекулярной диффузии - процесса, обусловленного только различиями в концентрациях.
Богатые глиной формации выгодны даже в этом отношении, так как они являются ультрафильтрами с коэффициентами диффузии на 3 порядка меньше, чем в других геологических средах. Миграция отходов из богатых глиной пород будет еще больше замедляться из-за высокой сорбционной способности глин.
Лабораторные и полевые эксперименты показывают, что модели компонентов подземных вод и давления изменяются с разной скоростью в аргиллитной среде. Благодаря этому в качестве дополнительных показателей проницаемости пласта и истории течения можно использовать аномалии давления и естественные профили трассировщиков.
Конкретные данные по формациям показывают, что большинство трассировочных профилей эволюционировало от миллиона до десятков миллионов лет, тогда как моделирование подземных вод на основе свойств пласта показывает, что аномалии давления реагируют на воздействия в течение последних нескольких тысяч - миллионов лет.
Вместе взятые, давление и геохимическая структура являются мощным инструментом для понимания транспортировки и обнаружения изменений проницаемости в аргиллитных пластах на протяжении тысяч - миллионов лет.
Практические соображения для сланца как репозитарного носителя
Потенциально пригодные для использования аргиллитные формации в США, не имеющие извлекаемых энергетических ресурсов или других запретительных обстоятельств, широко распространены и встречаются в различных геологических и гидрологических условиях. Действительно, Соединенные Штаты находятся в завидном положении с точки зрения масштаба и разнообразия по возрасту, истории, составу и толщине аргиллитных образований в пределах своих границ.
Как ни парадоксально, но качества, которые могут сделать глинистые образования желательными хозяевами хранилища, также затрудняют их характеризацию.
Обычно рутинные процедуры, такие как испытания на проницаемость и отбор проб пористых сред, являются технически сложными и трудоемкими в этих средах. Например, исследователи учатся делать скважинные испытательные установки более плотными, чем пласт, так, чтобы измерять проницаемость пласта, а не утечки в оборудовании.
Помимо таких технологических проблем, исследования последних 2-3 десятилетий подняли новые интересные вопросы и высветили некоторые старые. Системы глинистых вод являются сложными, их физика и химический состав изучены неполностью, а описание движения воды и растворителей в них часто экстраполировано на основе опыта работы с гораздо более проницаемыми материалами.
Применимость закона Дарси, конститутивного соотношения для потока пористой среды, не подкрепляется прямыми наблюдениями в породах с очень низкой проницаемостью, так как скорость потока в естественных условиях оказалась слишком мала для измерения. Закон Дарси описывает одну из нескольких связей между движущими силами и потоками в глинистых средах, которые мало изучены. Исследования по этим вопросам помогут ученым лучше понять поровую жидкость.
