CC BY
16
- © В.Н. Татаринов, В.Н. Морозов,
А.И. Каган, 2014
УЛК 622.504
В.Н. Татаринов, В.Н. Морозов, А.И. Каган
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И НАПРАВЛЕНИЙ ФИЛЬТРАЦИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ВЫБОРЕ УЧАСТКОВ ДЛЯ ПОДЗЕМНОЙ ИЗОЛЯЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
Возможность использования геологических формаций для подземной изоляции высокоактивных радиоактивных отходов (ВАО) является предметом острых дискуссий ученых. В России широко обсуждается идея изоляции ВАО в Нижнеканском массиве (Красноярский край). Для решения этой проблемы разработана технология прогнозирования стабильности геологической среды. Она основана на моделировании напряженно-деформированного состояния пород и направлений фильтрации подземных вод во времени. Прогнозируется опасность деструкции структурного блока земной коры, который может быть активирован геодинамическими процессами и вероятность проникновения подземных вод к контейнерам с ВАО. Ключевые слова: высокоактивные радиоактивные отходы, напряженно-деформированное состояние, фильтрация подземных вод.
Введение
За период интенсивного развития атомной промышленности на территории России был накоплен огромный объем радиоактивных отходов активностью более 5,9x10 млрд. Кюри и объемом свыше 510 млн куб. м, представляющих чрезвычайную опасность для населения и окружающей среды. До недавнего времени преобладала идеология долговременного хранения РАО и отложенного решения вопросов их окончательной изоляции. Масштабное решение проблемы началось только в последние годы, когда в российском обществе и государственных органах сформировалось понимание того, что безопасность обращения с РАО является приоритетным условием дальнейшего развития атомной промышленности и экономики страны в целом. Наиболее токсичными и опасными являются тепловыделяющие высокоактивные радиоактивные отходы (ВАО). Удаление их из среды обитания человека, отражает важнейшую общественную потребность населения страны и при существующем научно-техническом уровне может быть реализовано единственным осуществимым способом -захоронением ВАО в глубокие геологические формации. Для этого необходимо выбрать такие участки земной коры, где свойства и состояние геологической среды гарантируют их изоляцию в течение всего срока радиобиологической опасности ВАО, который составляет 100 тыс. лет.
Обоснование пригодности геологической среды для захоронения ВАО важнейшая экологическая проблема, стоящая как перед Россией, так и другими развитыми странами, использующими ядерные технологии. В настоящее время изучаются возможности подземной изоляции ВАО в различных геологических формациях: в солях (Германия, США), в гранитах (Швеция, Финляндия, Швейцария, Канада, Россия), в глинах (Франция, Швейцария, Бельгия) и туфах (США). И хотя сама идея глубинного захоронения РАО проста и очевидна, пока еще ни в одной стране не начата эксплуатация геологического хранилища
BAO. Правительством РФ в конце 90-х гг. принято решение о строительстве первого в России пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов в Красноярском крае. Итогом многолетних инженерно-геологических изысканий, которые проводились в пределах Нижнеканского массива, начиная с 1992 г., стал выбор участка «Енисейский», расположенного в пределах ЗАТО г. Железногорск, на котором ведутся детальные геолого-геофизические исследования.
Представление о том, что безопасность глубоких геологических формаций для захоронения BAO должна оцениваться на срок сопоставимый со сроками радиобиологической опасности BAO, имеет перед собой и этическое основание в виде принципа ответственности перед будущими поколениями, заложенное в документах МАГАТЭ и IAEA, и является предметом острых дискуссий ученых и специалистов. Методологически выбор площадок для захоронения BAO основан на поиске в относительно стабильных районах наименее нарушенных структурно тектонических блоков максимальных размеров [1-2]. Экспертные оценки нынешнего «качества» участка, где предполагают построить могильник BAO, не отвечают на фундаментальный вопрос: как тектоника повлияет на сохранность породного массива за 100 тыс. лет и более, пока будет существовать экологическая опасность радионуклидов. Наибольшую угрозу представляет образование новых или активизация старых тектонических разломов и проникновение поверхностных и грунтовых вод к контейнерам с BAO с последующим выносом радионуклидов в среду обитания человека.
Основной принцип обеспечения безопасных захоронения РАО заключается в предупреждении образования зон опасных концентраций напряжений еще на стадии проектирования на основе геодинамического районирования. Необходим прогноз эволюции напряженно деформированного состояния (НДС), вмещающего породного массива как основного барьера, препятствующего распространению радионуклидов, и направлений возможного распространения радионуклидов подземными водами.
Результаты исследований
Нижнеканский гранитоидный массив (НКМ) находится в нескольких километрах от Красноярска. По данным геолого-геофизических и структурно-геоморфологических исследований, проведенных в западной части массива и частично во вмещающих породах, предварительно выбраны три участка для захоронения BAO: «Каменный», «Итакский» и «Енисейский» [3].
Анализ геологических данных показывает, что НДС массива определяется, главным образом, сжимающими усилиями, ориентированными в юго-запад -северо-восточном направлении. Для моделирования напряженно-деформируемого состояния мы использовали упругую модель обобщенно плоского напряженного состояния [6]. B качестве метода вычислений использовался метод конечных элементов (МКЭ). Наделение конечных элементов различными механическими свойствами позволяет сформировать гетерогенную модель НКМ, которая отражает реальные свойства пород. На рис. 1 приведена структурная модель НКМ для моделирования распределения полей напряжений МКЭ. B модели были приняты следующие значения проекций на оси X и Y тектонических напряжений: субширотной Nx = 30 МПа и субмередианальной Ny = 10 МПа. Эти величины близки к напряжениям в ненарушенных породах, измеренных в комплексе подземных выработок Горно-химического комбината
[4] на глубине до 400 м. Летально алгоритм и методика расчета полей напряжений изложены в [5, 6].
При анализе результатов моделирования в качестве обобщенного критерия уровня НЛС локальных участков НКМ используется интенсивность напряжений ст., представленная в виде карты изолиний напряжений (рис. 2).
Условие обеспечения прочности имеет вид:
+ <
+ ст -стст -стст -стст
z x y x z y z
+ 3(ct2 + ct2 + ct2 ) = ст.
4 xy xz yz' 1
где ст. - интенсивность напряжении; ст , ст , ст , ст , ст , ст - компоненты тензора
1 1 1 x y' z' xy' xz' yz 1
напряжении.
Высокий уровень дифференциации распределения ст1 в пределах модели НКМ дает основание для выделения потенциально опасных зон (не пригодных для изоляции ВАО). 3D модель практически является основой для геодинамического районирования территории с целью выбора мест геоэкологически без-опаснои подземнои изоляции ВАО в геологических формациях.
Можно с уверенностью утверждать, что зоны концентрации ст1 являются возможными источниками крупномасштабной деструкции геологической среды в поле действующих тектонических напряжении.
Одна из главных угроз надежности могильника ВАО является проникновение грунтовых вод к контеинерам с последующим выносом радионуклидов в окружающую среду.
Фильтрация через среду описывается законом Дарси:
vx = - kdP
ц dx
где Vx - величина скорости фильтрации через пористую среду; k - проницаемость среды; ц -динамическая вязкость жидкости; P-давление.
Коэффициент k постоянен для даннои жидкости, если пористая среда несжимаема и изотропна.
Для изотропнои среды можно записать:
V = -k0 V(P)
ц
где V - вектор скорости фильтрации. Применив операцию дивергенции получаем:
- k0 v2( P) = 0 ц
Рис. 1. Структурная модель для моделирования распределения полей напряжений МКЭ: 1, 2 - контур гранитоидов, отличающихся по упруго-прочностным свойствам; 3 - гнейсовый комплекс (ДЯ); 4 - зоны милонитов; 5 - слюдяно-гнейсовый комплекс с амфиболитами, кварцитами и мраморами (ДЯ - РЯ); 6 - терригенно-вулкано-генные отложения (PZ2); 7 - терригенные отложения (и); 8 - крупные тектонические разломы
Таким образом, фильтрация сквозь изотропные среды может быть сведена к решению уравнения Лапласа с соответствующими граничными условиями. Если распределение Р известно, то скорости фильтрации могут быть получены из закона Дарси.
Во многих случаях пористая среда анизотропна и проницаемость зависит от направления течения. В этом случае уравнение можно записать в виде:
д2 Р д2Р д2Р -—т + —т + —г = 0 дх ду дг
Таким образом, мы снова получили уравнение Лапласа. Следовательно, истинный физический случай можно представить как фиктивный изотропный в преобразованных координатах.
В соответствии с законом Дарси будем исходить из предположения, что скорость фильтрации в градиентном поле тектонических напряжений пропорциональна градиенту действующих напряжений:
кБУ2и' кЕУ2У_
в предположение некоторого постоянного коэффициента фильтрации к.
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 Отединицы
Рис. 2. Распределение интенсивности напряжений в районе НКМ по данным расчетов методом конечных элементов. Линиями показаны разломы. Прямоугольниками выделены участки детальных исследований: 1 - Енисейский, 2 - Итатский, 3 - Каменный
V, =
V,
I/,
Рис. 3. Направление векторов скоростей фильтрации в районе Нижнекан-ского массива
Рис. 4. Поле распределения интенсивности напряжения в районе участка «Енисейский» и вектора скоростей фильтрации
Скорость фильтрации, выраженная через компоненты напряжений, в условиях плосконапряженного состояния, имеет вид:
V = V + V = кЕ (а хх + а уу)
Тогда используя эти соотношения, представляется возможность расчета и прогнозирования развития гидрогеологических условий в районе заложения могильника РАО при изменение НДС породного массива в результате прогнозируемой тектонической деструкции породного массива.
Обратим внимание, что вектор скоростей фильтрации ортогонален направлению действия сил, вызывающих компрессию вдоль соответствующих осей в выбранной системе координат.
Уровень напряженного состояния породного массива в его локальных зонах определен величиной интенсивности напряжений. Переход к интенсивности напряжения дает возможность строить модель фильтрации жидкости независящий от данной конкретной системы координат. Исходя из предположений, что скорость фильтрации определяется этой интегральной оценкой уровня действующих напряжений в элементе объема породного массива имеем:
V = (а,)
Это упрощает расчеты первого приближения, поскольку задача оценки напряженного состояния и фильтрации решаются раздельно. В этом случае скорость фильтрации, как функция координат и времени V(x, у, $ дает возможность оценок водопритоков в ослабленные зоны тектонической трещиновато-сти, как основу дальнейших расчетов скорости миграции и прогнозируемой миграции радионуклидов в процессах массопереноса.
На рис. 3 представлены расчеты векторов (3 = ^ дгаё ^^ градиентов действующих тектонических напряжений для массива НКМ. В настоящее время участок «Енисейский» является наиболее перспективным в плане создания могильника
для BAO. Исходя из этого, было проведено моделирование НДС в пределах участка «Енисейский». Граничные условия для этого моделирования взяты из модели для всего НКМ [6].
На рис. 4 представлены расчеты векторов скоростей фильтрации для участка «Енисейский». Вектора указывает наиболее вероятные направления фильтрации грунтовых вод под действием тектонических напряжений.
Исходя из этого, нами были определены два наиболее вероятных направления развития новых активных геодинамических зон, затрагивающих участок «Енисейский». Они показаны на рис. 4 пунктирными черными линиями. Это новые наиболее вероятные разломы в районе участка «Енисейский». Их необходимо учитывать при оценке последующей экологической безопасности могильника BAO.
При изменении тектонических напряжений разломы представляют собой каналы интенсивной фильтрации грунтовых вод, способствующие интенсивной миграции радионуклидов в геологической среде.
Выводы
Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы и рекомендации по совершенствованию методики прогноза деструкции геологической среды применительно к задачам выбора наименее опасного участка для захоронения PAO:
1. Зоны высокой концентрации ст. являются зонами неустойчивого состояния геологической среды, в пределах которых наиболее вероятно развитие тектонической деструкции структурно-тектонических блоков с последующим разрушением искусственных и естественных изоляционных барьеров.
2. Необходимо учитывать общие фундаментальные закономерности связи между тектоническим напряжением и потенциальной угрозы массопереноса радионуклидов в процессе фильтрации грунтовых вод, при выборе участков размещения могильников BAO.
3. Кинематические принципы тектонической деструкции геологической среды в сочетании с полученными значениями интенсивности напряжений и дают возможность построить прогнозную схему разрушения структурных блоков как последовательные итерации продвижения активных разломов с перераспределением полей напряжений и изменением характера НДС породных массивов, сопровождающимися изменением гидрогеологических условий выбранного участка.
4. Корректировка указанной модели возможна на основе наблюдений за современной активностью основных тектонических нарушений в пределах района радиусом до 30 км от центра выбранного участка с применением методов космической геодезии.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Morozov V.N., Tatarinov V.N. Tectonic processes development with time in the areas of HLW disposal from expert assessment to prognosis // Int. Nuclear Energy Science and Technology, Vol. 2. - 200б. - No 1/2. - Pp. бБ-У4.
2. Морозов B.H., Taтaринoв B.H. Методика выбора участков земной коры для размещения экологически опасных отходов // Геоэкология. - 199б. - № б. - С. 109-120.
3. Белов C.B., Морозов B.H., Taтaринoв B.H., Kaмнев E.H., Хяммер Й. Изучение строения и геодинамической эволюции Нижнеканского массива в связи с захоронением высокоактивных радиоактивных отходов // Геоэкология. - 200У. - № 3. - С. 227-238.
4. Морозов B.H., Гyпaлo T.A., Taтaринoв B.H. Прогноз изоляционных свойств породного массива при размещении радиоактивных материалов в горных выработках // Горный вестник. - 1999. - № б. - С. 99-10Б.
Б. Морозов B.H., Колесников И.Ю., Белов C.B., Taтaринoв B.H. Напряженно-деформированное состояние Нижнеконского гранитоидного массива - района возможного захороне-ниярадиоактивных отходов // Геоэкология. - 2008. - № 3. - С. 232-243.
б. Андерсон Е.Б., Белов C.B., Kaмнев E.H., Колесников И.Ю., Лoбaнoв H.Ô., Морозов B.H., Taтaринoв B.H. Подземная изоляция радиоактивных отходов. - М.: Издательство «Горная книга», 2011. - Б92 с.: ил.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Taтaринoв Bиктoр Hикoлaeвич - доктор технических наук, зав. лабораторией, e-mail: v.tatarinov@gcras.ru,
Морозов Bлaдиcлaв Hикoлaeвич - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, e-mail: v.morozov@gcras.ru,
Karaн Алекандр Иосифович - старший научный сотрудник, e-mail: a.kagan@gcras.ru, Геофизический центр Российской академии наук.
UDC 622.504
MODELING STRESS AND FILTRATION OF GROUNDWATER BY SELECTING SITES FOR UNDERGROUND DISPOSAL OF RADIOACTIVE WASTE
Tatarinov V.N., Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, e-mail: v.tatarinov@gcras.ru, Morozov V.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, e-mail: v.morozov@gcras.ru, Kagan A.I., Senior Researcher, e-mail: a.kagan@gcras.ru, Geophysical Center of the Russian Academy of Sciences.
The possibility of using deep geological formations to dispose of high-level radioactive waste (HLRW) is a subject raising heated debate among scientists. In Russia, the idea of constructing HLRW repository in the Nizhnekansky massif (Krasnoyarsk area) is widely discussed. To solve this problem we are elaborating a technology associated with time - space stability prediction of the geological environment, which is subject to geodynamic processes evolutionary effects. It is based on the prediction of isolation properties stability in a structural tectonic block of the Earth's crust for a given time. The danger is in the possibility that the selected structural block may be broken by new tectonic faults or movements on a passive fault may be activated and thus underground water may penetrate to HLRW containers.
Key words: filtration of underground water, stress-strain state, high-level radioactive waste.
REFERENCES
1. Morozov V.N., Tatarinov V.N. Tectonic processes development with time in the areas of HLW disposal from expert assessment to prognosis. Int. Nuclear Energy Science and Technology, Vol. 2, 2006, no 1/2, pp. 65-74.
2. Morozov V.N., Tatarinov V.N. Geojekologija, 1996, no 6, pp. 109-120.
3. Belov S.V., Morozov V.N., Tatarinov V.N., Kamnev E.N., Hammer J. Geojekologija, 2007, no 3, pp. 227-238.
4. Morozov V.N., Gupalo T.A., Tatarinov V.N. Gornyj vestnik, 1999, no 6, pp. 99-105.
5. Morozov V.N., Kolesnikov I.Ju., Belov S.V., Tatarinov V.N. Geojekologija, 2008, no 3, pp. 232-243.
6. Anderson E.B., Belov S.V., Kamnev E.N., Kolesnikov I.Ju., Lobanov N.F., Morozov V.N., Tatarinov V.N. Podzemnaja izoljacija radioaktivnyh othodov (Underground sealing of radioactive waste), Moscow, Izdatel'stvo «Gornaja kniga», 2011, 592 p.
