Статьи 25 апреля 2018

Изменения мерзлотно-гидрогеологических условий в районе Билибинской АЭС на этапе ее эксплуатации

Рис. 1. Обзорная схема расположения Билибинской АЭС

Авторы: Егоров Я.А., Бусыгина Е.Н. (ФГБУ «Гидроспецгеология»), Рассказов А.А. (АО «Концерн Росэнергоатом» «Билибинская атомная станция»)

Предприятия атомной энергетики являются объектами повышенной опасности, что обусловливает необходимость создания эффективной системы слежения за состоянием основных компонентов природной среды как основы моделирования и прогнозирования экологической ситуации в районе их воздействия. В настоящее время на российских АЭС действует система объектного мониторинга состояния недр (ОМСН). На Билибинской АЭС (БиАЭС) она представлена пунктами наблюдательной сети для изучения температурного режима горных пород, состояния поверхностных и подземных вод в целях своевременного выявления потенциальных источников техногенного загрязнения. Важным условием обеспечения ядерной и радиационной безопасности на атомных станциях является изучение их специфических особенностей эксплуатации, связанных с местоположением, физико-географическими, гидрогеологическими характеристиками и другими факторами.

Статья подготовлена на основе аналитических отчетов по результатам объектного мониторинга состояния недр Билибинской АЭС за период 1991- 2014 гг. и результатов экспедиционных исследований, проведенных ФГБУ «Гидроспецгеология» в 2015 году.

Самая северная в мире Билибинская атомная электростанция расположена на крайнем северо-востоке России в пределах Чукотского автономного округа (рис. 1).

Она была построена и введена в эксплуатацию в 70-е годы XX века для обеспечения жизнедеятельности горнорудных и золотодобывающих предприятий, которые каждый год поставляли стране около пяти тонн золота. Здание АЭС, включающее четыре энергоблока, было построено на монолитных железобетонных плитах с предварительным оттаиванием грунта под фундамент. На станции впервые была применена уникальная система охлаждения, спроектированная специально для полярных условий, когда конденсаторы турбин охлаждаются водой, а она, в свою очередь, в воздушно-радиаторных охладителях. Мощность каждого энергоблока составляла 12 МВт, общая установленная мощность – 48 МВт. На протяжении многих лет Билибинская атомная станция представляет собой основу изолированной Чаун-Билибинской энергосистемы и является в действительности атомной теплоэлектроцентралью, снабжающей теплом и электроэнергией расположенный в 3 км от нее  город Билибино. В 1984 году показатели выработки электроэнергии станции достигли рекордных отметок в 350 млн кВт/ч.

Согласно технической документации, первоначально предполагалось использование энергоблоков БиАЭС в течение 30 лет, однако в 2000-2006 гг. были проведены специальные мероприятия по продлению сроков эксплуатации систем и оборудования еще на 15 лет. Лицензия на эксплуатацию первого и второго энергоблоков станции заканчивается в 2019 году, эксплуатация третьего и четвертого энергоблоков должна быть завершена в 2021 – 2022 гг. В настоящее время реализуется подготовленный Госкорпорацией «Росатом» «Комплексный план мероприятий по подготовке БиАЭС к режиму эксплуатации без генерации энергии». Он предусматривает, в числе прочих, оценку состояния мониторинговой сети, её оптимизацию и включение в единую геоинформационную систему отрасли с целью получения информации о состоянии горных пород, сейсмической активности территории и появлении возможного загрязнения.

Особое значение в решении этих задач имеет изучение мерзлотно-гидрогеологических условий. БиАЭС – единственная станция, построенная в районе сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП). За период эксплуатации станции под промплощадкой сформировалась  техногенная таликовая зона, влияющая на фундаменты зданий и сооружений, а также на распространение загрязняющих веществ на прилегающую территорию, в том числе в поверхностные водотоки.

На сегодняшний день на территории промплощадки и санитарно-защитной зоны станции (СЗЗ) БиАЭС регулярно ведется ОМСН по 54 наблюдательным скважинам (рис. 2). Размещение, конструкция, количество и назначение наблюдательных скважин определены проектом с учётом природных особенностей данной территории.

Наблюдения за температурой горных пород на промплощадке БиАЭС проводят в 11 термометрических скважин глубиной от 45 до 80 м. Скважины оборудованы термометрическими датчиками (термогирляндами).

Наблюдательная сеть на подземные воды состоит из 43 скважин, в том числе, гидрогеологических – 24 шт., радиационного контроля – 19 шт. Гидрогеологические скважины рассредоточены по всей промплощадке БиАЭС с учётом мерзлотно-гидрогеологических условий и расположения технологических схем. Скважины радиационного контроля служат для наблюдения за содержанием радионуклидов в подземных водах.

Рис. 2. Схема расположения наблюдательных скважин (1 - производственные и хозяйственные объекты, 2-4 – наблюдательные скважины: 2 – радиационного контроля; 3 – термометрические, 4 – гидрогеологические; А-Б – линия разреза)

Результаты наблюдений используются:

  • для оценки прогноза радиационной и геоэкологической обстановки в районе расположения АЭС,
  • для оперативного реагирования и предупреждения опасных процессов, влияющих на состояние недр и инженерных сооружений,
  • для разработки и реализации оперативных и долгосрочных мероприятий по предотвращению, снижению и ликвидации опасных природных и техногенных процессов [1].

БиАЭС расположена в пределах Верхояно-Чукотской гидрогеологической складчатой области, которая характеризуется значительной мощностью многолетнемерзлых пород, зависящей от гипсометрической высоты, составляющей от 100–300 м в низкогорье до 500 м в среднегорье. В долинах водотоков и на других сравнительно низких участках местности среднегодовая температура пород на подошве слоя годовых теплооборотов достигает –4 (–5)оС, на более возвышенных – до –8 (–10)оС. В пределах промышленной площадки станции по данным инженерно-геологических изысканий 1990 года мощность многолетнемерзлых пород составляла около 240 метров, а температуры пород на глубине 10–15 м были равны –3 (–5)оС [2].

В пределах рассматриваемой гидрогеологической области распространены сквозные и несквозные талики. Сквозные талики приурочены к крупным рекам и озерам, несквозные талики различной мощности распространены в пределах межгорных впадин и понижений с большим количеством озер. Несквозные техногенные талики приурочены к участкам застройки промышленных и жилых объектов, построенных с допущением оттаивания многолетнемёрзлых грунтов в основаниях зданий в процессе строительства и эксплуатации.

Мощность сезонно-талого слоя (СТС) на прилегающих к промплощадке участках склонов с ненарушенными условиями изменяется от 0,8 до 1,6 м, в пределах промплощадки она увеличивается до 3,5 м. На промплощадке, где отепляющее влияние на грунты оказывают здания, и различные промышленные коммуникации, мощность СТС достигает 2,0-2,5 м, иногда – 3,7 м.

По результатам наблюдений за температурой горных пород были уточнены мерзлотно-гидрогеологические условия в пределах промышленной площадки БиАЭС и ее СЗЗ (радиусом 0,5 км) и построен разрез, где показана динамика формирования «чаши оттаивания» под тепловыделяющими зданиями (рис. 2).

Рис. 2. Мерзлотно-гидрогеологический разрез по линии А-Б (см. рис. 5)

1 – четвертичные отложения (Q), 2 – верхне-триасовые отложения (T3), 3-7 – литологический состав: 3 – насыпной грунт (щебенисто-дресвяный), 4 – песчаники, 5 – аргиллиты, 6 – алевролиты, 7 – дресва, галька, гравий, 8-9 – границы: 8 – стратиграфические, 9 – литологические; 10 – уровень грунтовых вод, 11 – границы несквозных таликов, бергштрихи направлены в сторону талых горных пород, 12 - наблюдательная скважина: а) – термометрическая, б) – гидрогеологическая: цифры у стрелки – абсолютные отметки уровня воды м), 13-15 – контур зданий и сооружений: 13 – ЯРОО, 14 – снесённые на разрез ЯРОО, 15 – снесённые на разрез техногенные объекты

За более чем 40-летний период эксплуатации здесь сформировались несквозные техногенные талики разной мощности: около 65–70 метров под главным корпусом, 60 м – под радиаторными охладителями и 30 м – под складом. Максимальные положительные температуры горных пород 6-8оС фиксируются на глубине 10-25 м в районе главного корпуса. Динамика формирования техногенных таликов в толще ММП на промплощадке АЭС отражена на мерзлотно-гидрогеологическом разрезе и геотермических графиках, построенных на основании данных измерений температуры горных пород в термометрических скважинах (рис. 2,3,4).

Сплошное распространение многолетнемёрзлых пород определяет условия формирования подземных вод, в связи с чем, на промышленной площадке подземные воды приурочены к несквозным техногенным таликам и сезонно-талому слою (по взаимоотношению с мёрзлыми породами они являются надмерзлотными и межмерзлотными).

Надмерзлотные воды СТС существуют лишь в теплый период года с конца мая по октябрь. Водовмещающими породами являются, преимущественно, четвертичные отложения: щебень и дресва с супесчаным и супесчано-суглинистым заполнителем, реже – скальные породы: трещиноватые песчаники, алевролиты и аргиллиты. К четвертичным отложениям приурочены поровые воды, к скальным породам – порово-трещинные. Грунтовые воды приобретают незначительные напоры лишь при сезонном промерзании. Водообильность пород СТС неравномерная по площади и непостоянная во времени, коэффициент фильтрации дресвяно-щебнистого грунта с супесчано-суглинистым заполнителем составляет 0,04-0,5 м/сут.

Питание надмерзлотных вод СТС осуществляется за счёт инфильтрации атмосферных осадков. Область их питания совпадает с областью распространения. Сток грунтовых вод направлен по склону долины ручья к его руслу; в местах перегиба рельефа они выходят на поверхность в виде мочажин и рассредоточенных источников. Часто запасы надмерзлотных вод сезонно-талого слоя не срабатываются к началу промерзания деятельного слоя, образуя небольшие наледные натёки в ложбинах и полосах стока. Разгрузка вод сезонно-талого слоя происходит в понижениях и искусственных выемках рельефа, а также в ниже залегающую зону надмерзлотных вод несквозного талика на территории промплощадки.

Воды СТС сульфатные, сульфатно-гидрокарбонатные, различные по катионному составу с минерализацией до 0,25 г/л; слабокислые и нейтральные (pH – от 5,8 до 6,6), очень мягкие (общая жёсткость – от 0,2 до 1,03 мг-экв/л).

Надмерзлотные и межмерзлотные воды несквозных таликов сформировались в техногенных «чашах оттаивания» под тепловыделяющими зданиями на промышленной площадке АЭС. Водовмещающими породами являются верхнетриасовые трещиноватые песчаники, алевролиты, аргиллиты. Воды трещинные, пластово-трещинные грунтовые и напорные. Глубина залегания уровня подземных вод составляет от 15 м в тёплый период года (июль-сентябрь) до 17 м в холодный период года. Питание таликовых подземных вод осуществляется за счёт вод СТС в тёплый период года, оттаивания льда в многолетнемёрзлых породах. Таликовые зоны надмерзлотных вод ограничены снизу и с боков водоупорными многолетнемерзлыми породами, межмерзлотные – снизу, сверху и с одной стороны. На территории промплощадки разгрузка таликовых надмерзлотно-межмерзлотных вод происходит в приямок котлована пристроя, откуда её откачивают. Котлован глубиной 19,4 м заложен у восточной стенки главного корпуса с двумя приямками глубиной 2,2 м (от дна котлована) для откачки воды. По химическому составу воды таликовых зон сульфатные натриево-кальциевые, солоноватые, с сухим остатком от 1,3 до 4,2 г/л. Воды нейтральные (pH изменяется в диапазоне от 6,6 до 7,2), очень жёсткие (общая жёсткость – от 20 до 60 мг-экв/л).

Таким образом, существующая система мониторинга на БиАЭС позволила получить данные о значительных изменениях мерзлотных условий за более чем 40-летний период эксплуатации, в том числе о формировании в пределах промышленной площадки и санитарно-защитной зоны техногенных таликов разной мощности.

Уникальность географического расположения Билибинской АЭС и сложность местных мерзлотно-гидрогеологических условий требует внимательного подхода к прогнозу развития мерзлотных процессов на этапе вывода станции из эксплуатации, когда будет существенно нарушен термодинамический режим, сложившийся на данной территории на протяжении нескольких десятков лет. В связи с этим дальнейшее функционирование системы ОМСН позволит получать данные о состоянии недр на участках расположения основных объектов станции и в их округе для прогнозирования изменения мерзлотно-гидрогеологических условий, в том числе границ водоносной таликовой зоны, и обеспечить геотехническую и экологическую безопасности.

Источники

  • Бычков Е.А., Рассказов А.А. Отчёт об экологической безопасности по итогам 2016 г. Филиал АО « Концерн Росэнергоатом» «Билибинская атомная станция». Билибино, 2017.
  • Бударин А.Ю., Кустов В.П., Рудавчкий А.И. и др. Промежуточный отчёт о инженерно-геологических условиях промплощадки. Билибинская АЭС. Расширение. II очередь. Проект. Москва, МГУ, 1991 г., с. 224.