CC BY
13разработать и внедрить мероприятия, направленные на повышение защитных свойств инженерных барьеров сооружения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочевер Ф.М., Гармонов И.В. и др. Основы гидрогеологических расчетов М.: «Недра», 1969.
2. Веселое Е.И. // Тезисы доклада. Региональные курсы МАГАТЭ по методологии оценки безопасности
приповерхностных хранилищ. 24 июня—5 июля 2002 г. Москва.
3. Веселое Е.И., Баринов А.С., Флит В.Ю. и др. // Безопасность окружающей среды. 2006. № 3. С.
38—40.
4. Лысенко М.П. Глинистые породы Русской платформы. М.: «Недра», 1986.
Поступила 12.01.09
УДК 621.039.86
В.В. Мартьянов
О КАЧЕСТВЕ СВОЙСТВ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ В ПРОЦЕССЕ СООРУЖЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ХРАНИЛИЩ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ НИЗКОГО И СРЕДНЕГО УРОВНЯ АКТИВНОСТИ
ГУП МосНПО «Радон», Москва
Приводятся сведения об изменении свойств природного (геологического) барьера в процессе сооружения и эксплуатации хранилищ радиоактивных отходов. Отмечено увеличение водопроницаемости верхней части площадки размещения радиоактивных отходов более чем в 10 раз, формирование антропогенного (техногенного) водоносного горизонта и изменение направления фильтрационного потока. На основе моделирования процесса миграции радионуклидов установлена возможность более интенсивного перемещения радионуклидов в недрах.
Ключевые слова: радионуклиды, приповерхностные хранилища радиоактивных отходов, геологический барьер, миграция радионуклидов.
V.V. Martianov. On quality grade of geologic barriers in construction and running the near-surface depots for radioactive waste with low and medium activity. The article contains data on changed state of natural (geologic) barrier in construction and running the depots for radioactive waste. The authors stress over 10-fold increased water-permeability of upper part of radioactive waste placement ground, formation of antropogenous (technogenic) water-bearing level and changed filtration flow direction. Based on radionuclides migration modelling, the authors determined possibility of more intensive relocation of radionuclides in subsoil.
Key words: radionuclides, near-surface depots for radioactive waste, geologic barrier, radionuclides relocation.
Главной задачей безопасного обращения с радиоактивными отходами (РАО) является их надежная изоляция от окружающей среды. Время изоляции РАО определяется тем периодом, в течение которого они остаются опасными для человека. Для РАО низкого и среднего уровня активности этот период времени составляет около 300 лет (10 периодов полураспада 137Cs и 9^г). Надежная изоляция отходов достигается их размещением в специальные хранилища, состоящие из нескольких искусственных и естественных
барьеров, предотвращающих попадание радионуклидов в окружающую среду.
Согласно существующим нормативным документам и рекомендациям МАГАТЭ [6], хранилища РАО могут сооружаться в высокопроницаемых грунтах зоны аэрации (пески, песчаники, супесь), а также в низко-проницаемых грунтах (глины, суглинки, скальные породы, каменная соль), в многолетнемерзлых грунтах.
Считается, что наиболее приемлемыми для сооружения хранилищ РАО являются низко-
проницаемые горные породы, приуроченные к геологическим формациям с несложным и однородным геологическим строением. При этом принимаемые технические решения при сооружении хранилищ не должны приводить к потере изолирующих (фильтрационных и сорбционных) свойств естественных (геологических) барьеров [4].
На примере 45-летнего опыта эксплуатации приповерхностных хранилищ низкого и среднего уровня активности ГУП МосНПО «Радон» нами сделана попытка рассмотреть влияние антропогенных факторов, связанных с сооружением и эксплуатацией хранилищ РАО, на изменение свойств геологического барьера и возможную миграцию радионуклидов с грунтовым потоком.
На площадке ГУП МосНПО «Радон» при размещении РАО в хранилища используется принцип мультибарьерной защиты. Роль защитных барьеров исполняют:
— матрица РАО;
— материал упаковки РАО (бочка, контейнер);
— межконтейнерный заполнитель (цемент, сорта глин, обладающие хорошими сорбцион-ными свойствами);
— конструкционные элементы хранилищ (бетон);
— геологический барьер.
Геологическим барьером на площадке размещения хранилищ РАО являются бурые покровные суглинки (р^ш) и отложения московской морены (gQIIm), представленные красноцветны-ми суглинками ледникового происхождения.
При оценке миграции радионуклидов особое внимание было уделено первому от поверхности водоносному горизонту.
Специалистами ГСПИ и Гидроспецгеоло-гии при проведении инженерно-геологических изысканий под строительство площадки размещения РАО в 60 — 70 гг. было установлено наличие первого водоносного горизонта в межморенных флювиогляциальных супесях и песках. Отмечалось обводнение отдельных песчаных прослоев в моренных суглинках.
В покровных суглинках свободной воды не было зафиксировано, хотя отмечалось формирование спорадического (временного) водоносного горизонта «верховодки» в весенний период. Глубина залегания первого от поверхности межморенного водоносного горизонта на исследуемой площадке достигала 39—42 м, глубина залегания до регионального водоносного горизонта, используемого для нужд водоснабжения (сантонские меловые отложения) — 62—85 м.
Миграция радионуклидов оценивалась по известным уравнениям массопереноса для пакетного запуска индикатора, применяемого для одномерной модели [1, 2, 5].
Рассмотрен консервативный сценарий миграции, включающий разрушение днища хранилища, переход всей активности в жидкую фазу, постоянную подпитку хранилища атмосферными осадками, вертикальную миграцию ореола загрязнения по направлению к первому от поверхности водоносному горизонту при градиенте фильтрации ] = 1. В качестве мигрирующих радионуклидов были приняты 137Св и 9^г с начальной величиной удельной активности, равной С1 = 106Бк/л.
В качестве исходных данных были приняты следующие параметры:
— коэффициент фильтрации, к = 0,01 м/сут;
137/"1
— коэффициент распределения для Се, kd = 2200 доли ед.;
90о
— коэффициент распределения для Sr, kd = 400 доли ед.;
— активная пористость п = 0,17 доли ед.;
— комплексный параметр, учитывающий гидродинамическую дисперсию [5] D = 0,014;
— расчетное время I = 100, 200 и 300 лет;
— константа распада 137Св X = 6,33-10"5сут-1
— константа распада 9^г X = 6,525'10"5сут"1.
Для решения уравнения массопереноса
был использован математический редактор MathCad. В данном редакторе уравнения массопереноса с использованием функций "ег1т" записывались следующим образом (1) и (2).
Ce(R) := 0.:
erfc
f ne • R - V • t^
2 -у/ D • ne • t
+ exp
• erfc
+ -erfc
V
ne • R - V • Tw
R
V • -
' V • —Л
V D,
f ne • R + V • t^
2^D • ne • t
- exp
^2 • ^D • ne • Tw /C(R) := Ce(R) • expK • t) • (C1 - Cfon) + Cfon
• erfc
ne • R + V • Tw • ne • Tw
\
В выражениях (1) и (2):
— Се(Я) — приведенная удельная активность радионуклида в жидкой фазе без учета распада, Бк/л;
— С(Я) — удельная активность радионуклида в жидкой фазе с учетом распада, Бк/л (ось У);
— Я — расстояние, на которое перемещается ореол загрязнения, м (ось Х);
— пе —эффективная пористость, доли ед., пе = п + к^;
— V — скорость фильтрации м/сут,
V = У;
— Т' —время, фиксируемое после стока жидкой фазы из хранилища РАО, Т' = ^о, где 1о — время стока жидкой фазы из хранилища;
— С^п — фоновые значения удельной активности радионуклидов в жидкой фазе.
Используя исходные данные для решения уравнений массопереноса, были получены графики зависимостей С(Я) = 1"(К) для миграции 137Сз и 90Бг из хранилища РАО (рис. 1 и 2, ось У представлена в логарифмическом масштабе).
Из полученных графиков миграции 137Св и 90Бг с жидкой фазой (сплошные линии) на моменты времени 100, 200 и 300 лет следует, что перемещение ореолов происходит на расстояния, не превышающие 2,5м для 137Св и 7,2м для 90Бг.
Причем на момент времени 1 = 300 лет величина удельной активности жидкой фазы будет меньше величины удельной активности, соответствующей уровню вмешательства для 137Сз (С < 11 Бк/л) и 90Бг (С < 5 Бк/л).
Перемещение 137Св и 90Бг в твердой фазе (пунктирные линии) на моменты времени 100, 200 и 300 лет не превышает 3,2 м для 137Св и 8,6 м для 90Бг.
R
Расстояние, и
Рис. 1. Графики изменения удельной активности 137Св от расстояния на периоды времени 100, 200 и 300 лет (жидкая и твердая фаза)
Как отмечалось выше, по мере сооружения и эксплуатации хранилищ РАО изменились свойства геологического барьера. Изменение свойств барьера было связано с изменением морфологии площадки при прокладке подъездных путей и коммуникаций, выемкой грунтов из котлованов с образованием насыпей и понижений, асфальтированием и бетонированием значительных площадей, сооружением дренажных канав и прудов-отстойников для отвода поверхностных вод, бурением опорных инженерно-геологических скважин под хранилища РАО.
В процессе этих работ была получена дополнительная информация об измененных геолого-гидрогеологических свойствах природного барьера. В частности, при уточнении геолого-гидрогеологических свойств было зафиксировано постоянное обводнение вмещающих пород (покровные суглинки) до глубины 7 —10. На 35 % площади были вскрыты обводненные озерно-болотные отложения, отличающиеся по своим фильтрационным и сорбционным свойствам от моренных и покровных отложений.
Проведенные исследования по изучению сорбционно-емкостных характеристик вмещающих пород [3] показали, что величины коэф-
137^ 90о
фициентов распределения для Се и ог составляли, соответственно, 400 и 60 единиц, что в 6 раз меньше, чем характеристики исходного геологического барьера. Средние значения коэффициентов фильтрации увеличились более чем на порядок (0,5 м/сут вместо 0,01 м/сут).
Зафиксированное постоянное обводнение, значительные мощности водонасыщенных грунтов позволили нам сделать вывод о том, что за истекший период эксплуатации хранилищ РАО в верхней части природного барьера сформировался грунтовый водоносный горизонт техногенного происхождения со своими новыми
Е
Расстояние, м
Рис. 2. Графики изменения удельной активности 908г от расстояния на периоды времени 100, 200 и 300 лет (жидкая и твердая фаза)
137Cs,
Рис. 3. Графики изменения удельной активности 137Сб от расстояния на периоды времени 100, 200 и 300 лет (жидкая и твердая фаза)
свойствами, отличными от изначальных, описанных выше. Основное направление потока изменилось с вертикального на латеральное (горизонтальное), то есть направленное от хранилищ РАО и других инженерных сооружений в сторону области разгрузки с градиентом потока ] = 0,09. Областью разгрузки в нашем случае являются пруды-отстойники или дренажные канавы глубокого заложения.
Изменение свойств природного барьера было учтено при моделировании процесса мас-сопереноса.
В качестве исходных данных были приняты следующие параметры:
— коэффициент фильтрации, к = 0,5 м/ сут;
— коэффициент распределения для kd = 400 доли ед.;
90о
— коэффициент распределения для ьг, kd = 60 доли ед.
Для новых условий рассматривался консервативный сценарий миграции радионуклидов, при котором имеет место латеральная миграция радионуклидов, направленная от хранилищ РАО в сторону области разгрузки.
Используя новые исходные данные для решения уравнений массопереноса, были получены графики зависимостей С(И) = ^И) для миграции 137Сб и 90Ьг из хранилища РАО (рис. 3 и 4).
Из полученных графиков миграции 137Сб и с жидкой фазой и перемещением в твердой фазе на моменты времени 100, 200 и 300 лет следует, что перемещение ореолов происходит намного интенсивнее, чем при рассмотрении варианта с вертикальной миграцией. Ореол распространения Се с жидкой фазой может переместиться на 22 м за 300 лет, а 90Ьг на 120 м.
В ы в о д ы. 1. Показано, что при сооружении и эксплуатации хранилищ радиоак-
90Sr
Рис. 4. Графики изменения удельной активности 90Sr от расстояния на периоды времени 100, 200 и 300 лет (жидкая и твердая фаза)
тивных отходов происходит существенное изменение начальных защитных свойств природного (геологического) барьера. Значения коэффициентов фильтрации в верхней (измененной) части природного барьера увеличиваются более чем на порядок по сравнению с исходными значениями. 2. Изменение фильтрационных параметров верхней части природного барьера приводит к изменению направления фильтрационного потока. 3. Прогнозирование миграции радионуклидов по консервативному сценарию в изменившихся природных условиях на примере 137Cs и 90Sr показывает, что перемещение ореолов загрязнения в случае изменения свойств природного барьера может происходить более интенсивно, превышая скорости массопере-носа в 12—15 раз по сравнению с изначальными природными условиями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белицкий А.С. Охрана природных ресурсов при удалении промышленных жидких отходов в недра земли.
М.: «Недра», 1976.
2. Белиций А.С., Орлова Е.И. Охрана подземных вод от радиоактивного загрязнения. М.: Медицина,
1968.
3. Мартьянов В.В., Шевцова Е.В., Склифасовская Ю.Г. // Безопасность окружающей среды. 2007. № 4. C 50—51.
4. Оценка безопасности приповерхностных хранилищ радиоактивных отходов (РБ-011-2000). М.: ГАН РФ, 2000.
5. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: Изд-во МГУ, 1995. C. 238—240, 309—310.
6. Safety Assessment for Near Surface Disposai of Radioactive Waste.- Safety Standarts Series № WS-G-1.1. Vienna: IAEA, 1999.
Поступила 12. 01. 09
