CC BY
66
УДК 621.039.7 + 504.064.47
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РАДИАЦИОННО ОПАСНОГО ОБЪЕКТА
П.В. Амосов, Н.В. Новожилова
Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Представлены результаты анализа экологической безопасности подземного объекта изоляции радиационно опасных материалов для рассмотренных сценариев эволюции объекта на базе цифровых гидрогеологических моделей: нормальной эволюции и трех альтернативных. Наглядно продемонстрированы возможности используемого методического подхода по обоснованию места размещения объекта, обеспечивающего уровень загрязнения подземной гидросферы не выше нормативного.
Ключевые слова:
экологическая безопасность подземной гидросферы, радиационно опасный объект, цифровые модели.
В Горном институте КНЦ РАН на протяжении более 20 лет выполняются исследования по различным аспектам радиоэкологии, в т.ч. взаимодействия подземных объектов с массивами горных пород и разработке научных основ размещения подземных АЭС и хранилищ радиационно опасных материалов (РОМ). Указанные научноисследовательские работы выполняются под руководством академика РАН
Н.Н. Мельникова и профессора В.П. Конухина [1-3]. Актуальность выполняемых исследований подтверждается тем фактом, что они соответствуют задачам федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года».
При подземном размещении радиационно опасных объектов необходимой стадией проектных изысканий являются исследования, связанные с оценкой воздействия таких объектов на окружающую среду, в первую очередь на подземную гидросферу. Для потенциального объекта изоляции радиационно опасных материалов, описанного в работе [1], авторами выполнены оценки экологической безопасности с учетом не только сценария нормальной эволюции (СНЭ), но и ряда альтернативных сценариев эволюции объекта. В частности, для сценария облучения населения при потреблении загрязненной питьевой воды рассмотрены следующие альтернативные сценарии эволюции:
• непредусмотренное появление конвективного потока подземных вод через инженерные барьеры объекта (№ 1);
• ошибка в предсказании сорбционных свойств радионуклидов в материалах инженерных барьеров и вмещающем массиве (№ 2);
• сооружение скважины откачки питьевой воды, располагаемой в районе наиболее опасного распространения радиоактивного загрязнения (№ 3).
Используемый в Г орном институте КНЦ РАН подход заключается в комплексном применении современных электронных устройств, позволяющих осуществить оцифровку топографических и гидрогеологических карт потенциальных площадок, и верифицированных компьютерных кодов (AQUA3D и PORFLOW). В результате создаются цифровые гидрогеологические модели и численно решаются дифференциальные уравнения, описывающие процессы течения подземных вод и переноса примесей в дальнем и ближнем поле объекта [3, 4]. Симуляция процессов загрязнения в ближнем поле объекта осуществляется с помощью кода PORFLOW, в дальнем поле - AQUA3D.
Сравнительный анализ результатов численных экспериментов альтернативных сценариев № 1 и № 2 и СНЭ объекта показал, что:
1) наличие конвективного потока через такой объект с точки зрения загрязнения подземных вод делает его более опасным. В частности, для изотопов 1291 и 79Se на выходе из ближнего поля объекта прогнозируется превышение уровня вмешательства на 1 и 2 порядка, соответственно. А рост гидравлического градиента приводит к уменьшению значений коэффициента снижения концентрации радионуклидов (рис. 1), т.е. к ухудшению защитных свойств системы;
2) ошибка в определении коэффициента распределения изотопа 79Se в бетоне практически не вызывает изменений в выходных параметрах модели ближнего поля как по величине, так и во времени. В тоже время ошибка в определении миграционных параметров изотопа 79Se во вмещающем массиве приводит к существенному сокращению времени (примерно с 20 тыс. до 5 тыс. лет), в течение которого загрязнение способно достичь биосферы, а уровень загрязнения на выходе из ближнего поля модели возрастает на треть.
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04
Гидравлический градиент i, м/м
Рис. 1. Зависимость коэффициентов снижения концентрации радионуклидов от величины гидравлического градиента при метровом слое бетона
Сравнительный анализ результатов моделирования потоков подземных вод и переноса стабильного пассивного трассера во вмещающей геологической среде потенциальных площадок региона для СНЭ и альтернативного сценария № 3 наглядно показал степень влияния скважины откачки на изменение поля скорости в районе расположения скважины и на значения факторов разбавления в терминах коэффициентов чувствительности. Например, в месте размещения скважины откачки прогнозируется практически стопроцентное возрастание значения фактора разбавления.
Оценка экологической безопасности подземного объекта изоляции РОМ выполнена для двух потенциальных площадок региона - Сайда-Губа и Дальние Зеленцы [2]. Для площадки Дальние Зеленцы авторы рассмотрели два варианта размещения объекта (на западе и востоке площадки). Продемонстрированы потенциальные области загрязнения подземных вод на различных высотных отметках рекомендованных площадок. Анализ результатов численных экспериментов (с учетом принятых модельных предположений) показал, что по таким критериям, как уровень вмешательства и мощность дозы для населения на уровне 1 мЗв/год обе площадки могут быть признаны безопасными. По критерию мощности дозы - 10 мкЗв/год - существуют альтернативные сценарии и варианты конструкций инженерных барьеров, в рамках которых прогнозируется превышение
129 т 79 г,
указанного предела по изотопам I и Se.
Последняя указанная мощность дозы соответствует значению уровня пренебрежимого риска 10-6 год-1, установленному НРБ-99 [5]. Напомним, что под термином санитарно-защитная зона подразумевается территория вокруг источника ионизирующего излучения, на которой уровень облучения людей в условиях нормальной эксплуатации данного источника может превысить установленный предел дозы облучения населения. Таким образом, при определении границ дальней зоны радиационно опасного объекта, авторы практически выходят на определение территории санитарно-защитной зоны или, другими словами, зоны экологического риска на уровне пренебрежимого.
Дополнительно была изучена зависимость уровня загрязнения подземных вод при вариации глубины размещения объекта (на примере площадки Сайда-Губа) [4]. Для этого модель площадки была существенно модернизирована в части ее использования для оценки безопасности объекта, размещаемого на глубинах более 100 м. В качестве примера на рисунке 2 приведены пространственные распределения пассивного
трассера в 1-м слое модели при различных глубинах размещения объекта (от 50 до 150 м). Отметим некоторые особенности пространственного распределения загрязнения:
• самый высокий анализируемый уровень загрязнения (1.510-3 отн. ед.) наблюдается при глубинах размещения объекта до 110 м;
• поступление загрязнения уровня выше 0.510-3 отн. ед. в р. Сайда (южная граница моделируемой области) прекращается с глубины размещения объекта порядка 90 м.
‘ч т
а)
Л ЛД -
„ ,
- ■ ■
(I
л‘Щ
да
Г1 х ' \ч -*:
/
б)
• л *
в)
/
г)
Рис. 2. Пространственное распределение фактора разбавления и поле скорости в 1-м слое модели площадки Сайда-Губа при вариации глубины размещения объекта: а) 50 м; б) 90 м; в) 120 м; г) 150 м.
Граничные уровни изолиний: 2.010-8; 0.510-3; 1.010-3; 1.5'1C3 отн. ед.
Определены количественные зависимости фактора разбавления как консервативного показателя загрязнения подземной гидросферы в точках контроля площадки Сайда-Губа от глубины размещения радиационно опасного объекта. Показано, что при заглублении объекта на дополнительные 50 м от предложенной в работе [2] глубины в 100 м значения факторов разбавления в точках контроля наиболее опасного направления переноса загрязнений переходят на безопасный уровень (~ 10-5 отн. ед.). На рис. 3 представлены графические результаты, характеризующие зависимости фактора разбавления FD от глубины размещения объекта в точках контроля наиболее критического направления для данной площадки - северо-северо-восточного. Представленные на рисунке 3 кривые хорошо описываются показательными функциями вида FD=10Ah+B', где параметры аппроксимации имеют значения: A=-0.025, B=-0.1, глубина h измеряется в метрах.
При расположении объекта на глубинах 55-95 и 105-145 м наблюдаются практически линейные зависимости фактора разбавления, естественно, с различными производными для разных точек контроля. Хорошо видно, что на этапах скачкообразного изменения гидрогеологических параметров (глубины 100 и 150 м) происходит скачок значений производных анализируемых функций. При глубине расположения объекта порядка 160 м значения коэффициентов разбавления во всех точках контроля северо-северо-восточного направления переходят на уровень 10-5. А это уже безопасный уровень, по крайней мере, при рассмотренном сценарии облучения.
Глубина размещения объекта, м
Рис. 3. Зависимость фактора разбавления FD в точках контроля северо-северо-восточного направления модели площадки Сайда-Губа при вариации глубины размещения объекта
Продемонстрирована работоспособность используемого подхода для решения экологических задач, связанных с прогнозом поля скорости подземных вод, распределением и минимизацией загрязнения подземных вод от техногенных источников на площадке размещения опасных объектов и определения границ зоны пренебрежимого риска. По мнению авторов, используемая методология пригодна для решения задач, связанных с минимизацией загрязнения подземных вод от техногенных источников (не только радиационно опасных). Проведенные изыскания подтвердили полезность и необходимость выполнения исследований по вариативному определению мест размещения радиационно опасных объектов в пространстве вмещающего массива.
ЛИТЕРАТУРА
1. Радиогеоэкологические аспекты безопасности подземного захоронения радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива на Европейском Севере России / Н.Н. Мельников, В.А. Наумов, В.П. Конухин, П.В. Амосов, С.А. Гусак, А.В. Наумов. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2001. 194 с. 2. Отработавшее ядерное топливо судовых энергетических установок на Европейском Севере России: в 2 ч. / Н.Н. Мельников, В.П. Конухин, В.А. Наумов, П.В. Амосов, С.А. Гусак, А.В. Наумов, Ю.Р. Катков. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2003. Ч. 1. 166 с.; Ч. 2. 209 с. 3. Научные и инженерные аспекты безопасного хранения и захоронения радиационно опасных материалов на Европейском Севере России / Н.Н. Мельников, В.П. Конухин, В.А. Наумов, П.В. Амосов, С.А. Гусак, А.В. Наумов, А.О. Орлов, Ю.Г. Смирнов, Е.В. Караваева, Н.В. Новожилова, С.Г. Климин. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2010. 305 с. 4. Амосов П.В., Новожилова Н.В. Радиогеоэкология: использование цифровой гидрогеологической модели размещения экологически безопасной площадки для подземного радиационно опасного объекта // Инженерная экология, 2007. № 3. C. 3-13. 5. Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009 // Российская газета (спец. выпуск). 2009. 11 сентября. С. 1-8.
Сведения об авторах
Амосов Павел Васильевич - к.т.н., старший научный сотрудник; e-mail: vosoma@goi.kolasc.net.ru. Новожилова Наталья Викторовна - младший научный сотрудник, e-mail: nat1966kis@mail.ru.
