CC BY
25
УДК 504.05
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ БАРЬЕРОВ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОНСЕРВАЦИИ РАО
А.Е. Богуславский1, О.Л. Гаськова2, А.И. Сурнин2, С.Ю. Носов3
1Институт геологии и минералогии СО РАН им. Соболева, 2Сибирский научно-исследовательский институт геологии геофизики и минерального сырья, 3Новосибирский филиал государственного специализированного
проектного института «ВНИПИЭТ», г. Новосибирск E-mail: boguslav@igm.nsc.ru
Изучены геохимические аспекты системы хранения НРАО одного из предприятий топ-ливно-ядерного цикла. Построена модель взаимодействия грунтовых вод с РАО. Выделены и рассмотрены геохимические барьеры, препятствующие распространению урана за пределы хранилища. Проведено экспериментальное и термодинамическое моделирование процессов осаждения урана. Обосновывается необходимость проведения при консервации шламохра-нилища дополнительных мероприятий по гидроизоляции сооружений.
Ключевые слова: консервация РАО, моделирование миграции урана, формы нахождения радионуклидов, геохимические барьеры, вторичные геохимические аномалии.
Современная концепция обращения с низкоуровневыми радиоактивными отходами (НРАО) заключается в создании мультибарьерной системы, препятствующей распространению радионуклидов за пределы хранилищ. В качестве барьеров безопасности могут выступать как природные структуры, так и техногенные конструкции, снижающие интенсивность миграции благодаря низким коэффициентам фильтрации, либо осаждая радионуклиды на барьерах различной природы. При проектировании новых объектов можно задать любую степень защиты, исходя из характеристик участка, экономической целесообразности и нормативной базы. Иная ситуация возникает при консервации действующих хранилищ, которые проектировались десятки лет назад. В большинстве случаев создание дополнительных барьеров связано с перемещением РАО, что весьма нежелательно. Поэтому для принятия решения о дальнейшей судьбе таких объектов необходимо определение надежности существующих барьеров. Основанием такой оценки должна быть модель миграции радионуклидов, построенная на геологических, гидрогеологических и геохимических особенностях участка, с детальной характеристикой процессов на каждом из этапов.
Хвостовое хозяйство ОАО «НЗХК» расположено в нескольких километрах от городской черты Новосибирска. Оно состоит из двух последовательно размещенных шламоотстойников, первый из которых выведен из эксплуатации, осушен и рекультивирован, а второй только готовится к выводу из эксплуатации. При сооружении шламохранилищ было принято решение о размещении их в тальвеге заболоченного лога, который является южным ответвлением Пашенского лога. Согласно проекту, лог перегораживался дамбой из местных грунтов и отходов производства, в создаваемую чашу по трубам проводился сброс пульпы. При строительстве шламо-отстойников, специальные мероприятия по усилению гидроизоляции днища и бортов оврага не проводились. Жидкая фаза через днище, борта секции и через дамбу фильтровалась, а твердая фаза осаждалась и накапливалась в отстойнике.
Методика. Определение элементного состава твердых проб проводилось методом РФА-СИ на станции элементного анализа ВЭПП-3 ИЯФ СО РАН. Формы содержания урана определялись с помощью электронного сканирующего микроскоп ТеБеап МГОА 3 ЬМи. Минеральный состав образцов определялся методом рентгеновской порошковой дифрактометрии на дифрактометре ДРОН-3 (излучение СиКа). Анализ элементного со-
става жидких проб осуществлялся в аналитическом центре ИГМ СО РАН методами масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP MS) высокого разрешения на приборе фирмы FINNIGAN MAT (Germany). Концентрации анионов определялись титриметрическим, турбиди-метрическим, потенциометрическим методами. Формы нахождения урана определялись методом ступенчатого выщелачивания по модернизированной методике Tessier [1]. Термодинамические расчеты в гетерофазной 27-компонентной системе H-O-C-Cl-N-S-Al-Si-Na-Ca-Mg-Mn-Fe-U-Pu-Am-Ru-Cs-Co-Ni-Mo-Zr-Cu-Zn-Cd-Ba-Sr проводились при 25 и 5°C и общем давлении 1 атм по алгоритму GIBBS с использованием встроенного банка термодинамической информации
UNITHERM пакета программ HCh.
Характеристика участка. Верхняя часть геологического разреза на изученном участке представлена покровными средне-четвертичными образованиями краснодуб-ровской свиты. Эти отложения сплошным чехлом покрывают территорию правобережья Оби. Непосредственно на участке в основании свиты выделяется пачка суглинков, мощностью 3-9 м. Их особенностью является очень слабая водопроницаемость (Кф= <0,001 м/сут). Это основной водоупор для грунтовых вод в районе хво-стохранилища. Выше залегает пачка, представленная переслаиванием суглинка с супесями и мелкозернистыми песками. Ее мощность выдержана и составляет около 4 м. Она характеризуется повышенной водопроницаемостью (Кф=0,1^0,3 м/сут., участками - до 1,5 м/сут). Супеси и пески этой пачки являются наиболее водопроницаемыми грунтами в районе хвостохрани-лища, и именно к ним приурочен основной поток грунтовых вод. Верхняя пачка отложений краснодубровской свиты представлена лессовидными желтовато-бурыми суглинками. Их мощность составляет 8-15 м и достигает максимальных значений на водораздельных участках, примыкающих к хвостохранилищу с запада и юго-запада. Голоценовые отложения представлены желто-бурыми суглинками, которые непрерывно выстилают всю рельефную
поверхность, их мощность составляет от 1 до 10 м (максимум приходится на пониженные формы рельефа). Эти отложения на водораздельных участках имеют преимущественно эоловый генезис [2]. На бортах и тальвегах ложбин кроме эоловых могли принимать участие и флювиальные процессы.
Современная овражно-балочная сеть сформировалась на рубеже голоцена, она врезана в четвертичные отложения крас-нодубровской свиты. Покровные голоце-новые суглинки напротив сформированы в согласии с современным рельефом. Они плащом переменной мощности перекрывают поверхность, а также водоносный горизонт по бортам долины, ограничивая его разгрузку в Пашинский лог. До момента создания хвостохранилища лог представлял собой глубокий задернованный овраг с сезонным водотоком. После создания технического пруда в правом (южном) ответвлении его тальвег интенсивно заболачивается на протяжении нескольких километров. Это связано с усилением в указанном интервале застоя влаги в виду недостаточной проточности заполняющих ложе голоценовых рыхлых и современных торфянистых отложений. Отложения торфа отмечаются на всем протяжении Пашен-ского лога. Бурение вскрыло слой торфа мощностью около одного метра в основании лога непосредственно под телом РАО.
Модель миграции урана. В результате изучения геологического строения и гидродинамического режима участка была построена модель взаимодействия грунтовых вод с РАО, состоящая из следующих звеньев: поступление грунтовых вод в хранилище ^ взаимодействие грунтовых вод с РАО ^ взаимодействие загрязненных вод с торфами ^ взаимодействие загрязненных вод с суглинками элювиального чехла ^ доочистка вод в проницаемом слое песков и супесей.
Нахождение шламоотстойника в тальвеге лога приводит к подтоплению хранилища грунтовыми водами. По расчетам даже при гидроизоляции хранилища сверху и полном отводе метеорных осадков с поверхности из первого от поверхности
водоносного горизонта в отстойник будет поступать в среднем ~ 40000 м3 грунтовых вод год. Поступающие природные воды гидрокарбонатные кальциевые, природная минерализация 0,3-0,5 мг/л (в зависимости от сезона и обводненности года), природное содержание урана - 0,4-0,6 мкг/л.
Отходы в шламоотстойнике имеют сложный минеральный и фазовый состав и при контакте с грунтовыми водами будут активно взаимодействовать. В разных типах отходов от 15 до 26 % урана находится в подвижных формах. Концентрация урана в грунтах после взаимодействия в начальный период может достигать 1-2,3 мг/л [1]. Вследствие высокого содержания в отходах гипса в водах после взаимодействия с отходами отмечены высокие концентрации SO4 и Ca (2,5 и 0,97 г/л, соответственно), что определяется константой растворимости гипса и практически не зависит от продолжительности взаимодействия растворов с РАО. Снижение концентраций будет отмечаться лишь после выноса растворимых соединений. Учитывая количество накопленных отходов, для этого потребуется не менее тысячи лет. Таким образом, первое звено модели представляет собой постоянный источник загрязнения, интенсивность которого определяется объемом взаимодействующих с РАО грунтовых вод.
Далее загрязненные воды вступают во взаимодействие с органо-минеральными отложениями вмещающих пород. Наличие слоя торфа в основании залежи имеет положительное значение, т.к. он принимает на себя и задерживает уран. Максимальная отмеченная на участке концентрация урана достигает 0,046 % (в пересчете на сухое вещество). Взаимодействие урана с торфом проходит по разным механизмам. Как показали эксперименты по ступенчатому выщелачиванию, в трудно растворимые формы переходит только 63,4 % урана. Остальная часть находится в водорастворимой и обменных формах и способны де-сорбироваться грунтовыми водами (табл. 1). Поскольку шламоотстойник эксплуатируется с 1964 г., емкость данного
барьера исчерпана, и в настоящее время он практически не влияет на вынос урана.
Более важное значение для предотвращения распространения урана имеет покровный слой суглинков. В их минеральном составе преобладают кварц, полевые шпаты. В тонкодисперсной фракции присутствуют также слюда, хлорит, кальцит, небольшое количество смешанно-слоистого смектита-иллита. По данным эксперимента, в интервале концентраций растворов 1 -2 мг/л они могут насыщаться ураном до концентрации 0,01-0,02 % (табл. 2). Эти концентрации близки к определенным в подстилающих суглинках, которые насыщались ураном в естественных условиях (до 160 г/т). Как показали эксперименты по десорбции урана, 77 % связывается в труднорастворимые формы и выводится из миграции (табл. 1). Техногенные воды при прохождении через слой этих суглинков очищаются от катионного груза и попадают в водоносный горизонт с существенно меньшим содержанием урана. Свидетельством того, что снижение концентрации урана вызвано не разбавлением грунтовыми водами, а очисткой, является отношение концентрации урана к концентрации сульфат- и нитрат-иона во второй секции и после фильтрации через суглинистый горизонт. Если концентрации сульфат- и нитрат-ионов практически не изменяются, то содержание уранил-иона снижается на порядки. Однако близость установленных значений урана к предельно возможным концентрациям, а также появление урана за пределами суглинистого барьера свидетельствует о том, что его емкость близка к пределу.
Доочистка вод будет проходить и при движении вод по проницаемым породам водоносного горизонта. Сорбционные характеристики песков и опесчаненных суглинков существенно уступают исходным суглинкам, однако учитывая протяженность песчаного горизонта, они играют немаловажную роль в общей очистке. Из поглощенного песками урана большая часть переходит в устойчивые формы (табл. 1).
Таблица 2
Распределение форм урана в основных типах грунтов, %
Таблица 1
Форма Песок Суглинок Торф Глина
В одорастворимая 2,9 1,3 35,7 19,1
Обменная 20,3 21,7 0,9 21,3
Карбонаты 53,1 58,6 42,4 40,2
Гидрооксиды 1,7 1,6 2,3 1,1
Органическая 11,8 8,4 16,9 6,5
Нерастворимая 10,3 8,3 1,9 11,9
Результаты экспериментов по сорбции уранил-иона
Цсх, мг/л
Концентрация в грунте после сорбции, г/т
суглинок
Доля осаждения урана на грунте, %
песок и опесчаненные суглинки
суглинок
песок и опесчаненные суглинки
10,0 1,0 0,1 0,01 0,001
1469 142 18,8 2,1 0,15
164-311 22-23 5,5-7,9 0,46-0,80 0,05-0,06
74,9 74,7 98,9 95,5 87,2
8,4-15,5 11,9-12,3 28,3-51,9 48,1-81,9 67,6-84
Примечание: навеска сорбента - 1 г, объем раствора - 50 мл.
В настоящий момент в обводненных песчаных грунтах на границе второй секции отмечается концентрация урана 3 г/т, что в 1,5-2 раза выше фоновых значений. Сульфат- и нитрат-ионы в реакции с вмещающими грунтами практически не вступают и их концентрация постепенно снижается до фоновой вследствие разбавления чистыми грунтовыми водами.
Результаты модельных расчетов свидетельствуют о том, что при концентрации растворов выше 0,5 мг/л при достижении термодинамического равновесия главенствующую роль в очистке будет играть осаждение твердой фазы - CaUO4(тв). Это подтверждается расчетом устойчивости CaUO4тв в системе шламохранилищ. Однако равновесие «CaUO4 о раствор» подвижное, и возрастание рН приводит к переходу урана в карбонатный раствор. Расчет распределения урана по формам при взаимодействии раствора (рН 8,1, ^ 2,3 мг/л - первые порции раствора при взаимодействии грунтовых вод с хвостами гидратных кеков) с вмещающими породами района показывает: 86 % урана будет осаждаться в виде фазы CaUO4; 11,3 % сорбируется в виде поверхностного комплекса >SOUO2OH; 2,7 % - доля урана оставшегося в растворе после осаждения и сорбции в виде комплекса Ca2UO2(COз)з0,
остаточная концентрация урана в растворе составит 0,06 мг/л.
Одновременно с выпадением твердой фазы развивается комплекс сорбционных процессов. В модельных расчетах доля урана осаждаемого в результате воздействий процессов сорбции урана на суглинках и песках составляет 11,3 и 2 %. Конечные остаточные концентрации урана в растворе 0,063 мг/л в обоих случаях. Процесс сорбции зависит от исходных концентраций микрокомпонента в растворе (табл. 2) и отношения «вода-порода». Дополнительные расчеты показали, что в начальный момент, когда сорбционная емкость только начинает заполняться, происходит практически полное осаждение урана. Но далее, по мере увеличения количества дренирующего раствора и заполнения сорб-ционной емкости вмещающих пород, интенсивность сорбции снижается, концентрации урана в водах постепенно выходят на исходный уровень.
Выводы. В сложившихся геолого-гидро-геологических условиях, без проведения дополнительных мероприятий по гидроизоляции сооружений, перекрытие шламов сверху для отвода метеорных вод недостаточно для выведения техногенной залежи из зоны активного водообмена. Поступающие в залежь по первому водоносному горизонту грунтовые воды будут
приводить к миграции урана. Интенсивность выноса урана будет контролироваться количеством воды взаимодействующей с РАО. Учитывая резерв подвижного урана, продолжительность выноса при существующих скоростях миграции исчисляется тысячами лет.
Система геохимических барьеров до настоящего момента успешно справляется с распространением загрязнения в грунтовые воды, однако экстраполируя полученные результаты на продолжительный период времени (п*100 - п*1000) неизбежно
наступление насыщения емкости барьеров, после которого скорость распространения урана возрастет на порядки. При этом возникает вероятность загрязнения поверхностных вод. Поэтому в сложившихся условиях единственной альтернативой удаления РАО из отстойника является отвод грунтовых вод. Наиболее эффективный путь для этого - организация барража в виде шпунтовой завесы вокруг шламоот-стойников, который будет перекрывать поступление в хранилище грунтовых вод.
Исследования поддержаны грантом РФФИ № 13-05-00032.
Список литературы
1. Богуславский А.Е. Определение состава низкоуровневых отходов предприятий уранового производства // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Материалы IV Международной конференции (Томск, 4-8 июня 2013 г.). - Томск, 2013. -С. 103-106.
2. Волков И.А., Волкова В.С. Циклиты субаэральной толщи и континентальное плейстоценовое осадконакопление в Западной Сибири // Цикличность новейших субаэральных отложений. - Новосибирск: Наука, 1987. - С. 49-61.
DETERMINATION OF THE RELIABILITY OF NATURAL SAFETY BARRIERS IN THE PRESERVATION OF RADIOACTIVE WASTE
A.E. Boguslavskiy1, O.L. Gas'kova2, A.I. Surnin2, S.Yu. Nosov3
'V.S. Sobolev Institute of geology and mineralogy SB of RAS 2Siberian Research Institute of Geology, Geophysics & Mineral Resources 3Joint Stock Company «State specialized design institute», Novosibirsk, e-mail, boguslav@igm.nsc.ru
E-mail: boguslav@igm.nsc.ru
In this paper geochemical aspects of low-level storages system are considered. The model of interaction of ground waters with low-level radioactive waste is constructed. The geochemical barriers interfering distribution of uranium out of storage borders are separated and considered. Experimental and thermodynamic modeling of uranium sedimentation processes is carried out. The need of additional actions for waterproof constructions at these storage preservation is explained.
Key words: radioactive waste preservation, modeling of uranium migration, forms of radionuclide presence, geochemical barriers, secondary geochemical anomalies.
