Подземные испытания изучают влияние тепла на поведение хранилищ в соляных пластах
Ученые из национальных лабораторий Сандия, Лос-Аламоса и Лоуренса Беркли начали третью фазу многолетнего эксперимента, цель которого — понять, как соль и соленая вода ведут себя вблизи контейнеров с горячими радиоактивными отходами в хранилище, размещенном в соляном пласте.
Соль обладает уникальными физическими свойствами, которые могут обеспечить безопасное захоронение радиоактивных отходов, заявил Кристофер Кульман, геоученый из Сандии и технический руководитель проекта. Соляные пласты остаются стабильными в течение сотен миллионов лет. Соль залечивает собственные трещины, и любые полости будут медленно закрываться. Например, соль на объекте «Установка по изоляции отходов» (WIPP) возле Карлсбада, штат Нью-Мексико — где захоронены некоторые отходы времен холодной войны — смыкается вокруг хранилищ со скоростью в несколько дюймов в год, защищая окружающую среду. Однако, в отличие от отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), отходы на WIPP не выделяют тепла.
Инициатива Управления ядерной энергии Министерства энергетики США по обращению с ОЯТ и отходами стремится обеспечить надежную техническую основу для нескольких жизнеспособных вариантов захоронения в США, и в частности, понять, как тепло меняет пути перемещения и взаимодействия жидкостей и газов с солью, сказал Кульман. Полученные знания будут использованы для уточнения концептуальных и компьютерных моделей, что в конечном итоге поможет политикам оценить преимущества захоронения ОЯТ в соляных пластах.
«Соль — жизнеспособный вариант для хранения ядерных отходов, потому что вдали от выработки любые полости залечиваются. Однако, рядом с выработкой существует «ореол» поврежденной породы. Теперь мы хотим углубить понимание сложных процессов рядом с отходами. Чем больше мы понимаем, тем больше долгосрочной уверенности мы имеем в соляных хранилищах», — пояснил Кульман.
Эксперимент на глубине
Чтобы понять поведение поврежденной соли при нагреве, команда проводит эксперименты на глубине 2150 футов (655 м) на объекте WIPP, в экспериментальной зоне более чем в 3200 футах (975 м) от действующего хранилища. Они также отслеживают распределение и поведение рассола — соленой воды, оставшейся в соляном пласте от испарившегося 250 миллионов лет назад моря. Рассол на WIPP в 10 раз солонее морской воды.
«Соль ведет себя совершенно иначе, когда горячая. Если вы нагреете кусок гранита, он не сильно изменится. Горячая соль «ползет» намного быстрее, и если она станет достаточно горячей, вода в рассоле может выкипеть, оставив корку соли на контейнере. Затем этот пар может перемещаться, пока не остынет и не вернется в жидкое состояние, растворяя соль, возможно, образуя сложную петлю обратной связи», — описал процесс Кульман.
В первой фазе эксперимента, планирование которой началось в 2017 году, исследователи опробовали разное оборудование в существующих горизонтальных скважинах WIPP. Первый нагреватель, работавший как тостер, не смог достаточно нагреть соль, чтобы вскипятить рассол. Второй, инфракрасная модель, работавшая подобно солнцу, оказалась эффективной.
Во второй фазе команда пробурила два набора из 14 горизонтальных скважин в стене зала и установила более 100 различных датчиков вокруг центральной скважины с нагревателем. Эти датчики отслеживали звуки, деформации, влажность и температуру при нагреве и охлаждении соли.
Среди датчиков были почти 100 температурных сенсоров, акустические датчики для прослушивания «хлопков» кристаллов соли при расширении и сжатии, а также оборудование для измерения деформаций и электрического сопротивления. Для проверки движения газов через поврежденную соль исследователи впрыскивали небольшие количества криптона и гексафторида серы в одну скважину и отслеживали их появление в другой. Аналогично, команда ввела в одну скважину искусственный рассол с элементом рением и синим флуоресцентным красителем в качестве «трассеров» и следит за его появлением в других скважинах.
В третьей фазе, начавшейся в середине октября, команда пробурит новую сеть из девяти нагреваемых скважин, используя опыт предыдущих этапов.
Работа в сложных условиях
Команда многому научилась за первые две фазы эксперимента, включая выбор оптимального типа нагревателя, сроки бурения и степень коррозионной агрессивности рассола.
«Первые две фазы включали много испытаний оборудования; часть вышла из строя. Мы также научились держать запасное оборудование под рукой, потому что солевая пыль и рассол разрушают технику. Нужно двойное уплотнение, так как рассол может просачиваться по изолированному проводу», — отметила Мелисса Миллс, геохимик из Сандии.
Исследователи сотрудничают с международными партнерами, чтобы использовать данные проекта для улучшения компьютерных моделей сложных химических, температурных, водных и физических взаимодействий под землей. Это улучшит будущее моделирование хранилищ ядерных отходов по всему миру.
В конечном итоге команда хотела бы перейти к более масштабным и долгосрочным экспериментам для получения данных, релевантных для будущих соляных хранилищ. Эти данные, дополняющие уже собранные, предоставят проектировщикам хранилищ и политикам информацию о безопасности постоянного захоронения тепловыделяющих ядерных отходов в соляных формациях.