Одной из важнейших проблем современной цивилизации является исчерпание невозобновляемых природных источников органического топлива. Например, при сохранении нынешнего уровня потребления природного газа его запасов хватит только на 60 лет. Поэтому уже многие годы ведутся поиски максимально безопасных альтернативных источников тепловой и электрической энергии, к которым относятся подземные атомные и гидроэлектрические станции.
2.5.1. Атомные электростанции
Многочисленными отечественными и зарубежными исследователями показано, что строительство и эксплуатация подземных АЭС (ПАЭС) являются более безопасными, экологически и экономически выгодными по сравнению с наземными вариантами [Мостков, Кирилов, Николаев, 1985; Юфин, 1989; Мостков, Дмитриев, Рахманинов, 1993; Котенко, Морозов, Петров, 1999]. Это подтверждается почти тридцатилетним опытом эксплуатации экспериментально-промышленных подземных АЭС во многих странах мира, в том числе и в России.
На рис. 2.93 приводятся компоновки подземных АЭС, запроектированных в США.
Обычно ПАЭС состоит из трёх основных частей:
энергогенерирующий комплекс (атомный реактор, парогенератор, турбогенератор);
Рис. 2.93. ПАЭС, проекты США:
а — ПАЭС Безлайн; 1 — центр управления, 2 — секция электрооборудования, J —
6 — камеры реакторов, трансформаторов, турбин, вспомогательных устройств,
7 — тоннели,
б — ПАЭС «Харца Инжиниринг»; 1 — подреакторное помещение, 2 — оболочка реактора, 3 — шахта для трубопровода, 4 — шахта для персонала, 5 — турбинная камера, 6 — вентшахта, 7 — транспортная шахта, 8 — сепаратор пара, 9 — топливный бассейн
технологический комплекс для сбора и обработки радиоактивных отходов;
комплекс горных выработок для хранения переработанного ядерного топлива.
Возможный риск возникновения аварийных ситуаций снижается за счёт системы многобарьерной защиты, основанной на изоляционных свойствах вмещающего горного массива. При гипотетической аварии с расплавлением активной зоны реактора объём аварийного выброса уменьшается за счёт того, что:
1. горные породы, в которых размещается ПАЭС, являются достаточно надёжным барьером распространения газообразных и жидких радионуклидов;
2. при строительстве реакторной камеры применяются специальные методы проведения буровзрывных работ или механизированная проходка, снижающие до минимума нарушения естественного состояния горного массива и его изолирующих свойств;
3. железобетонная обделка реакторной камеры проектируется таким образом, чтобы при любых авариях не нарушалась целостность вмещающего массива;
4. для дополнительного улучшения физико-механических и изолирующих свойств горных пород в районе реакторной камеры и хранилища радиоактивных отходов проводится их укрепительная цементация или тампонаж с использованием химических растворов.
Таким образом, при подземном размещении АЭС решаются многие проблемы.
1. Повышается безопасность эксплуатации за счёт того, что:
конструкция И вмещающий массив воспринимают аварийные нагрузки и являются универсальным барьером, надёжно изолирующим ПАЭС от окружающей среды;
снижается интенсивность вероятных сейсмических воздействий;
при аварийном охлаждении реактора возможна организация отвода тепла непосредственно в грунт, либо устройство теплоак-кумуляторов, использующих тепло, отводимое от реактора, работающего в штатном режиме;
проблема утилизации и нераспространения радиоактивных отходов решается за счёт организации в станционном комплексе
долговременного хранилища отработанного ядерного топлива, что на достаточно длительное время откладывает необходимость его переработки и транспортировки.
2. Повышается экономическая конкуретноспособность АЭС за счёт того, что:
подземное размещение АЭС позволяет расположить станцию в непосредственной близости от городской черты. Это повышает эффективность теплоэлектроснабжения за счёт сокращения потерь энергии при передаче на большие расстояния и использования тепла, выделяемого реакторами ПАЭС, для централизованного теплоснабжения;
процесс ликвидации ПАЭС сопровождается значительно меньшими затратами на демонтаж, дезактивацию и захоронение отходов и конструкций по сравнению с наземной АЭС. Отработавшие срок службы реакторные блоки и конструктивные элементы могут захораниваться на месте при минимальной стоимости и объёме работ;
устройство в общем станционном комплексе долговременного (на 100—200 лет) хранилища радиоактивных отходов не только решает проблемы их утилизации, но и значительно снижает её стоимость.
При подземном расположении АЭС появляются принципиально новые возможности пространственной компоновки станции (см. рис. 2.93) и облегчаются основные несущие конструкции за счёт передачи части нагрузок на массив. Чаще всего используются следующие варианты объёмно-планировочных решений:
реакторная группа оборудования и систем размещается под землёй, а все остальные системы — на поверхности;
всё оборудование и системы размещаются под землёй в одной камерной выработке;
всё оборудование и системы размещаются под землёй в нескольких камерных выработках, соединённых между собой системами тоннелей.
При разработке камерных выработок ПАЭС предъявляются повышенные требования к сохранности контура выработки, к конструкции и материалам обделки. К массивам горных пород предъявляют те же требования, что и при проектировании хра-
нилищ радиоактивных отходов, отдавая предпочтение породам с коэффициентом крепости по шкале Протодьяконова f Kp > 10.
Таким образом, подземное размещение АЭС обеспечивает её надёжность, экономическую эффективность, безопасность эксплуатации и последующей ликвидации станции.
При строительстве тоннелей мелкого заложения затопления происходят, чаще всего, в результате разрыва магистральных водопроводов или теплотрасс, оказавшихся в зоне влияния горных работ.
Подземное строительство в условиях сильного водопритока требует принятия специальных мер по водоподавлению. Эффективность этих мер во многом зависит от степени достоверности прогноза гидрогеологической ситуации, характеризующейся расположением и режимом подземных вод, строением и свойствами грунтов. Ошибки в прогнозе гидрогеологической ситуации во многих случаях приводят к возникновению аварийных ситуаций, что значительно осложняет ведение горнопроходческих работ, снижает их темпы, а иногда вызывает частичное или полное затопление строящегося сооружения. При этом изменяется естест венный пежим ттвижения ггтттовых вод, что может, в свою очередь, привести к потере устойчивости породного массива.
Катастрофические затопления подземных выработок нередко случаются при проведении подводных тоннелей. Подземные работы под река-
Рис. 6.5. Схемы прорывов воды в тоннель: при пересечении водоносного пласта в кровле (а) и в подошве (б), при пересечении сбросовой трещины кровлей (в), подошвой (г), при прорыве напорными водами кровлей (д) и подошвой (е) водоупорного целика недостаточной мощности, при пересечении забоем водоносной трещины (ж), при пересечении водоносных карстовых полостей (з)
ми, каналами, морскими заливами и проливами ведутся, преимущественно, в слабых неустойчивых грунтах под большим гидростатическим давлением, что требует исключительной осторожности при ведении горнопроходческих операций, предварительного исследования надежности защитных свойств породной кровли и забойного пространства, подготовки эффективных мер по технике безопасности, разработки защиты против стихийного прорыва воды. Наибольшая вероятность прорыва воды в забой при проходке подводных тоннелей закрытыми способами возникает в случае гидравлической связи грунтовых и поверхностных вод.
История строительства подводных тоннелей под крупными водными преградами насчитывает многочисленные примеры аварий, связанных с затоплением тоннельных выработок. Например, при проходке подводных тоннелей под Ирландским морем на глубине 240 м от дна неожиданно прорвавшаяся вода затопила выработки, в результате чего погибли 40 человек. При строительстве подводных выработок в Японии, вследствие внезапного прорыва воды, погибли 240 человек. Наиболее крупные современные аварии произошли при строительстве подводных тоннелей Сейкан в Японии и под проливом Большой Бельт в Дании.
Эксплуатируемые сооружения могут быть затоплены ливневыми и паводковыми водами при недостаточно эффективных защитных мероприятиях. Кроме этого причиной попадания воды в эксплуатируемое сооружение могут быть повреждения конструкции обделки, выход из строя дренажа, нарушения сплошности гидроизоляции.
Частичное затопление подземного объекта вызывает нарушение его нормальной эксплуатации, повреждение элементов конструкции и инженерного оборудования, а внезапное сильное затопление — аварийную ситуацию с человеческими жертвами.
Загазованность воздуха в строящихся или эксплуатируемых подземных сооружениях выше допустимых пределов может привести к следующим аварийным ситуациям: отравлению людей, пожарам и взрывам легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ, газовой коррозии материала обделки и эксплуатационного оборудования.
Аварийная ситуация может быть вызвана непрогнозируемым устойчивым превышением в воздухе рабочей зоны предельно допустимых концентраций (ПДК) ядовитых, вредных инертных или взрывоопасных газов. Аварии возникают при неудовлетворительной организации проветривания, отсутствии или ослаблении систематического контроля за содержанием газа в воздухе выработок.
Источником образования ядовитых или взрывоопасных газов могут служить технологические процессы (взрывные работы, искусственное замораживание грунтов и т.п.), а также геологический состав окружающих пород на участках строительства тоннелей. Наибольшее количество (23%) аварийных ситуаций приходится на строительство объектов в породах, насыщенных нефтепродуктами или газоносных, а также при ведении взрывных работ (20%). Примерно 30% всех аварий происходит при выполнении операций, связанных с искусственным замораживанием грунтов.
Основные причины загазованности и задымленности воздуха в подземном сооружении: пересечение его трассой нефтеносных, битуминозных, соленосных пород, а также вскрытие полостей, заполненных природными газами, характеризующихся содержанием большого количества ядовитых и взрывоопасных компонентов.
Наиболее часто в условиях подземного строительства встречаются мотан, моноксид углерода, диоксид углерода, сероводород, диоксид серы и аммиак. Различные газы и соединения (моноксид углерода, углеводороды, оксиды азота и др.) выделяются дизельными или карбюраторными двигателями, установленными на горнопроходческом оборудовании и на транспортных средствах. Нередко содержание в воздухе токсичных и горючих газов превышает предельно допустимую концентрацию, а процентное содержание кислорода становится недостаточным.
Газы попадают в эксплуатируемое сооружение из окружающего грунтового массива через обделку (при отсутствии специальной газоизоляции), выделяются двигателями транспортных средств, эксплуатационным оборудованием и при дыхании людей, и могут вызвать различные аварийные ситуации.