Статьи
109
Мировой опыт показывает, что при создании хранилищ радиоактивных отходов в первую очередь необходимо уделить внимание современным средствам защиты, предотвращающим отрицательное воздействие РАО на природу, особенно – на подземные воды, фильтрация которых в грунтовой толще ведет к распространению радиоактивного загрязнения.
Основной причиной загрязнения подземных вод является складирование и захоронение бытовых и промышленных отходов, в том числе радиоактивных. Между тем во многих регионах России подземные воды являются единственным источником питьевого водоснабжения. Сохранение этих ресурсов возможно лишь при прекращении загрязнения – в особенности, тех подземных вод, которые могут служить источником водоснабжения в будущем.
Приповерхностное хранение: риск распространения радиоактивного загрязнения
Приповерхностное хранение РАО — потенциальная опасность для подземных вод. Так, в водоемы-отстойники нередко сбрасываются смеси отходов всех степеней активности, а защитные меры обычно недостаточно обеспечивают изоляцию подземных вод от радиоактивных загрязнений. Чтобы быть уверенным в безопасности, необходимо каждый раз сопоставлять эту относительную защищенность с периодом полураспада радионуклидов и временем их возможного проникновения в водоносные горизонты.При глубинном захоронении отходов риск значительно меньше, однако такой метод изоляции требует большого комплекса исследований и пока еще не может служить альтернативой приповерхностному контролируемому хранению РАО.
При приповерхностном хранения защищенность первого от поверхности водоносного горизонта, водные ресурсы которого использует значительная часть россиян, определяется лишь экранирующей способностью грунтовой толщи зоны аэрации, перекрывающей этот горизонт. Мощность такой толщи, как правило, не превышает 15 м.
Грунтовая толща зоны аэрации в различных районах может быть представлена несхожими по составу литологическими разностями: песками, супесями, суглинками, глинами. Если она сложена высокопроницаемыми песками, то вся масса жидких отходов, содержащих радиоактивные элементы, может просочиться в водоносный горизонт, загрязнить его и вместе с фильтрующимся потоком попасть в колодцы и водозаборы. Скорость распространения ореола такого загрязнения невысокая – не более 0,1 м/сут. За год ореол загрязнения распространится всего на 30–40 м, за 10 лет – на 300–400 м. Однако уже через 100 лет население, проживающее в 3–4 км от места складирования отходов, будет использовать для водоснабжения загрязненную воду. Если толща зоны аэрации сложена суглинистыми разностями, время распространения ореола загрязнения значительно возрастает.
Однако распространение радионуклидов в геологической среде определяется не только проницаемостью грунта. В последние четыре-пять десятилетий ученые многих стран изучали массоперенос загрязнителей в различных материалах, и в том числе грунтах разного литологического состава. Исследования показали, что грунтовые материалы поглощают токсиканты и радионуклиды, что ведет к снижению концентрации загрязнителей в ходе их распространения.
Моделирование массопереноса радиоактивных веществ
Способность поглощения радионуклидов грунтовыми материалами определила необходимость разработки принципиально нового подхода к оценке степени защищенности подземных вод в районах размещения отходов, а также к определению оптимального и наиболее экономичного способа защиты водных ресурсов. В лаборатории охраны геологической среды (ЛОГС) геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова уже более 20 лет ведутся исследования возможности использования природных и искусственных материалов в качестве защитных барьеров на пути миграции загрязнителей подземных вод.
Природные барьеры, в первую очередь глинистые грунтовые толщи, позволяют резко ограничить скорость распространения загрязнения. Согласно исследованиям, глинистые грунты способны поглощать целый ряд радиоактивных элементов, что дает основание оценивать такие защитные экраны не только как противофильтрационные, но и как геохимические барьеры на пути миграции радионуклидов.
Для количественной характеристики естественной грунтовой толщи известной мощности специалистами ЛОГС введено понятие предельно допустимого времени ее эксплуатации Тпр. (в этот период исключена возможность выхода радиоактивного загрязнителя заданной концентрации за пределы экрана и попадания его в подземные воды). Именно это время и определяет степень защищенности подземных вод от загрязнения. Необходимая степень достоверности при описании процесса миграции элементов и расчета Тпр. соблюдается при использовании системы уравнений и граничных условий, соответствующих микродисперсионной математической модели массопереноса. Эта математическая модель учитывает суммарный процесс поглощения (сорбцию, осаждение, соосаждение) радионуклидов в потенциальном геохимическом барьере. Уравнение, описывающее микродисперсионную модель, имеет вид:
где t – время, t>0, x – расстояние вдоль пути фильтрации, 0
Начальное условие: c(x,0)=c0 – фоновая концентрация.
Граничные условия: с(0,t)=с0 – исходная концентрация в точке x=0;
c(∞,t)=c0 – исходная концентрация в точке x =∞,
где n – эффективная пористость, D – коэффициент микродисперсии, v – скорость фильтрации.
n и D характеризуют процессы, соответственно, поглощения и миграции данного элемента в рассматриваемом экране. Используя их, можно рассчитать Тпр геохимического барьера по следующей формуле:
где m – мощность грунтовой толщи, отделяющей источник загрязнения от водоносного горизонта;
ξ – осредненное значение предельно допустимой концентрации загрязнителя на верхней границе водоносного горизонта (ξ=inferfc (2ПДКэл/С0), где ПДК – предельно допустимая концентрация элемента, С0 – исходная концентрация данного элемента в отходах).
Расчеты миграционных параметров радионуклидов
Коллективом ЛОГС разработана методика, позволяющая получить необходимые миграционные параметры загрязнителей, на основании которых делается расчет Тпр. Базой для их расчета служат «выходные кривые» (зависимости изменения относительной концентрации загрязнителя от объема профильтровавшейся через экран жидкости), получаемые экспериментально в лабораторных условиях. Расчет Тпр. учитывает процесс десорбции поглощенного радионуклида, который оценивается в ходе экспериментов. При определении Тпр. для многослойной грунтовой толщи используются миграционные параметры, полученные для каждого слоя.
С помощью разработанной методики можно решить и обратную задачу – рассчитать необходимую мощность защитного экрана при заданной техногенной нагрузке. Таким образом, методика является перспективной для проектирования участков складирования и захоронения РАО. Она может применяться для оценки степени защищенности подземных вод и разработки обоснованных защитных мероприятий. Особенно актуально использование таких расчетов при создании дорогостоящих вертикальных защитных экранов с целью локализации существующих и потенциально возможных очагов загрязнения подземных вод.
Природные барьеры
Поглощающая способность природных сорбентов зависит от их состава, а также состава и формы нахождения радионуклидов в отходах. На каждом конкретном объекте защищенность подземных вод будет определяться эффективностью работы грунтовой толщи в качестве геохимического барьера, как в период эксплуатации места размещения отходов, так и после его консервации (см. таблицу).
Полученные значения миграционных параметров и, соответственно, Тпр. отличаются в несколько раз, что свидетельствует о различной степени защищенности подземных вод в зависимости от свойств грунтов, изолирующих водоносный горизонт. Кроме того, по отношению к разным радионуклидам защитные свойства одинаковых по составу грунтов резко отличаются.
Полученные значения миграционных параметров и, соответственно, Тпр. отличаются в несколько раз, что свидетельствует о различной степени защищенности подземных вод в зависимости от свойств грунтов, изолирующих водоносный горизонт. Кроме того, по отношению к разным радионуклидам защитные свойства одинаковых по составу грунтов резко отличаются.
Искусственные барьеры
В случае слабой защищенности подземных вод для их защиты необходимо использовать искусственные барьеры (экраны). В качестве геохимических барьеров наиболее перспективны те из них, для создания которых не требуется использования дефицитных материалов, для приготовления – больших финансовых затрат и материал которых обладает высокой поглощающей способностью в отношении радионуклидов. Это прежде всего разновидности природных глинистых материалов. Их применяют для создания глинистых горизонтальных экранов в основании участков складирования отходов.
Глина, слабопроницаемый материал, используется при создании вертикального экрана (в грунте роется траншея, которая заполняется глиной). Использование спец техники позволяет получить траншею шириной 0,6–1 м, глубиной до 150 м.
Глинистый материал применяют и для приготовления суспензии, которая используется при создании инъекционных горизонтальных и вертикальных (до глубины 300 м и более) экранов. Но детальное изучение инъекционного способа показало, что для использования глинистых суспензий есть серьезное ограничение. Согласно критерию Кинга-Буша вопрос о возможности инъекции суспензионного раствора в тампонируемый песок решается в зависимости от соотношения дисперсности песка и твердой фазы глинистой суспензии. Если это невозможно, для создания защитного экрана используются химические гелеобразующие растворы с малой начальной вязкостью. Как показали исследования, оптимальным является щавелево-алюмосиликатный раствор.
Глинистый материал применяют и для приготовления суспензии, которая используется при создании инъекционных горизонтальных и вертикальных (до глубины 300 м и более) экранов. Но детальное изучение инъекционного способа показало, что для использования глинистых суспензий есть серьезное ограничение. Согласно критерию Кинга-Буша вопрос о возможности инъекции суспензионного раствора в тампонируемый песок решается в зависимости от соотношения дисперсности песка и твердой фазы глинистой суспензии. Если это невозможно, для создания защитного экрана используются химические гелеобразующие растворы с малой начальной вязкостью. Как показали исследования, оптимальным является щавелево-алюмосиликатный раствор.
Окончательный выбор способа защиты должен осуществляться с учетом, прежде всего, эффективности работы экрана как геохимического барьера, а также возможности его технической реализации. Эффективность экранирования определяется свойствами материала экрана, элементным составом и формой нахождения радионуклидов в отходах. Оценить ее можно только путем расчета Тпр.
***
Таким образом, выполненный специалистами ЛОГС комплекс теоретических и экспериментальных исследований, апробирование полученных результатов на ряде объектов в России и за рубежом позволяют утверждать, что естественные грунтовые толщи, а также искусственные глинистые, песчано-глинистые и песчано-гелевые экраны могут использоваться в качестве надежных геохимических барьеров на пути миграции целого ряда радиоактивных элементов. Комбинация различных способов защиты, особенно при проектировании участков складирования и захоронения РАО, позволяет решить проблему защиты водных ресурсов практически в любых районах.