Обобщение многолетних результатов исследований состояния геологической среды в районе озера Карачая – хранилища жидких радиоактивных отходов, архивных и фондовых материалов позволило оценить уровень воздействия водоема на природную среду и разработать оптимальную стратегию его консервации.
Создание отечественного ядерного оружия в промышленном масштабе началось на комбинате № 817 (в настоящее время ФГУП «ПО «Маяк») более 60 лет назад. Для хранения ЖРО высокого и среднего уровня активности проектными решениями для радиохимического завода предусматривался ежегодный ввод емкостей-хранилищ объемом 15 тыс. м3. Однако в эксплуатацию была введена только одна очередь на 15 тыс. м3, так называемый комплекс «С». Недостаточное количество емкостей-хранилищ и их конструктивные недостатки приводили к сбросам в реку Течу радиоактивно загрязненных вод охлаждения комплекса «С» и части ЖРО, что привело к загрязнению реки.
Для решения проблемы реки Течи 7 августа 1951 года комиссией под председательством А.П. Александрова было принято решение об использовании болота верхового типа Карачая для сброса дебалансных отходов комплекса «С». Начиная с октября 1951 года озеро Карачай (водоем-9, В-9) используется для удаления жидких радиоактивных отходов. В настоящее время в водоеме локализовано около 120 млн Ки радиоактивных отходов. В результате сброса в водоем радиоактивных пульп, в нем также было накоплено около 190 тыс. м3 техногенных осадков. Мощность экспозиционной дозы γ-излучения у оголовков сбросных линий достигала 104-105 мкР/сек. В таких условиях единственным вариантом ликвидации водоема являлся вариант его консервации с локализацией отходов на месте их нахождения.
Загрязнение подземных вод
Водоем гидравлически связан с подземными водами. Промышленные растворы из В-9 распространяются преимущественно в северном и южном направлениях. В результате физико-химического взаимодействия техногенных растворов с водовмещающими породами сформировались источники вторичного загрязнения – донные отложения, суглинки ложа водоема, твердый ореол радионуклидов в массиве пород.
Фильтруясь из водоема, промышленные растворы в соответствии со структурой потока и водопроводимостью пород растворяются в подземных водах и формируют ореол загрязнения. Созданная вокруг водоема сеть наблюдательных скважин позволила проводить оконтуривание ореолов загрязняющих веществ, начиная с 1970 года, и установить основные пространственно-временные особенности формирования таких ореолов:
- миграция загрязнения в подземных водах обусловлена конвективным переносом, гравитационным перемещением растворов высокой плотности и действием факторов рассеяния, таких как фильтрационная дисперсия, радиоактивный распад, физико-химическое взаимодействие растворов с водовмещающими горными породами;
- по степени минерализации загрязненные воды меняются от рассолов (до 82,8 г/л) в центральной части ореола до практически пресных вод во фронтальной его части;
- основными загрязняющими веществами являются нитрат-, нитрит-ионы и радионуклиды техногенного происхождения, такие как 90Sr, тритий, уран, γ-излучатели (60Co, 106Ru, 137Cs);
- для загрязненных вод характерно зональное строение: в плане концентрации компонентов уменьшаются к периферии, по мере удаления от источника загрязнения, по вертикали – возрастают с глубиной, достигая максимума на 50-100 м от земной поверхности;
- протяженность ореолов по отдельным компонентам-загрязнителям различна; она определяется концентрациями компонентов в самом источнике, периодом радиоактивного распада, кислотно-щелочными и окислительно-восстановительными условиями транспортной среды, физико-химическими свойствами мигрирующих элементов, растворимостью и устойчивостью их миграционных форм в существующих условиях массопереноса, а также способностью участия в геохимических процессах (сорбции, ионном обмене, соосаждении, гидролизе и т.д.);
- максимальный объем загрязнения подземных вод фиксируется по нитрат-иону, который является стабильным компонентом, не вступающим в физико-химическое взаимодействие с водовмещающими породами.
Индикатором техногенного загрязнения подземных вод является один из компонентов ЖРО – нитрат-ион (NO3-). Внешняя граница ореола загрязнения в подземных водах определяется по содержанию в водах нитрат-иона, равному или превышающему 0,045 г/л.
В настоящее время площадь ореола загрязненных подземных вод составляет более 10 км2.
Вслед за нитрат-ионом в водах ореола обнаруживаются тритий и комплексные соединения 106Ru и 60Co. Эти компоненты также не взаимодействуют с породами ложа водоема и водовмещающей средой, но подвержены радиоактивному распаду.
Более ограниченные объемы в ореоле загрязненных вод занимают радиоизотопы 90Sr и 137Cs, которые в значительных количествах накапливаются в подстилающих породах ложа водоема и водовмещающих трещиноватых вулканогенно-осадочных породах, окружающих водоем Карачай. Наиболее подвижным среди указанных радиоизотопов является 90Sr.
В центральной части ореола, вблизи водоема, находятся субореолы урана и минорных актинидов.
Натурное обследование водоема Карачая в 2002-2005 годах показало, что общий запас β-активных нуклидов в незакрытой части водоема составляет 25 млн кКи, из них в воде находится 11%, в техногенных илах – 75%, в суглинках ложа водоема – 14%. Суммарный запас α-активных нуклидов составил 700 кКи, в том числе 0,8% в воде, 3,4% – в суглинках ложа, 95,8% – в техногенных илах.
Распределение нуклидов в донных отложениях водоема носит характер залежи, ограниченной контуром водоема и мощностью донных отложений. Распределение нуклидов в скальной среде характеризуется значительной дискретностью. Наибольшие удельные активности связаны с трещинными отложениями сорбентов, в том числе техногенного происхождения (оксидов железа, алюминия, углеродистого вещества). По результатам исследований был сделан вывод: обводненные породы твердого ореола после прекращения эксплуатации В-9 будут являться источником вторичного загрязнения подземных вод. При этом экспериментально было доказано, что коэффициенты десорбции нуклидов не являются обратными величинами коэффициентов сорбции в идентичных химических условиях, и с увеличением степени разбавления промышленных растворов скорость десорбции радионуклидов будет уменьшаться.
Моделирование миграции радионуклидов
Наиболее полный учет природных и техногенных факторов воздействия источников загрязнения на геологическую среду достигается математическим моделированием геофильтрационных и геомиграционных процессов распространения загрязнения в подземных водах.
Для водоема-9 вначале была построена двухмерная модель регионального масштаба – GEON-2D, предназначенная для моделирования плановой нестационарной фильтрации и миграции нейтрального компонента в подземных водах.
В дальнейшем на основании этой модели была разработана трехмерная модель GEON-3D, которая учитывала задержку стронция рыхлыми отложениями долины реки Мишеляка. С использованием GEON-3D были рассчитаны трехмерные нестационарные распределения давления, плотности и концентраций растворенных примесей, дана прогнозная оценка скорости разгрузки нитрат-иона и 90Sr в реку Мишеляк.
В процессе эксплуатации геомиграционных моделей были выявлены основные ограничения и недостатки программного обеспечения, которые были устранены в трехмерной модели GEON-3DM, разработанной в границах региональной модели GEON-2D. Стало возможным:
- учитывать изменения топографии области моделирования во времени;
- учитывать плотность подземных вод за счет не только концентрации нитрата натрия, но и других химических компонент (сульфатов, ацетатов и т.д.);
- моделировать разломы с помощью специальных граничных условий на соответствующих внутренних межблочных границах;
- разделить области моделирования по сетке геологических разломов;
- осуществить аппроксимацию границ сеточным разбиением;
- провести автоматизированную калибровку модели.
Засыпка акватории в 1970-1999 годах
Работы по консервации водоема были начаты в 1969-1972 годах. За эти годы 15-20 тыс. м2 загрязненной береговой полосы были засыпаны суглинистым грунтом. Однако засыпка непосредственно акватории водоема, где подвижные донные отложения имели значительную толщину, не представлялась возможной – при засыпке отложения вытеснялись на поверхность воды, что создавало предаварийную ситуацию и резко ухудшало радиационную обстановку в районе работ.
Выяснилось, что массив закладки должен обладать таким поровым пространством, которое полностью включало бы в себя техногенные илы.
С 1973 года для засыпки В-9 начали использовать скальный грунт. В 1980-1981 годах были проведены первые пробные работы по засыпке северо-восточной части водоема калиброванным бутом – фракционированным камнем диаметром около 0,3 м. Однако использование даже калиброванного камня на участках с большой толщиной слоя техногенных илов приводило к вытеснению их на поверхность воды (рис. 1).
Рис.1. Вытеснение донных отложений перед фронтом отсыпки скального грунта
В дальнейшем опытным путем было установлено, что наиболее целесообразным является использование специально сконструированных полых железобетонных кубов с открытой нижней гранью (ПБ-1). Эффективная пористость массива, сооружаемого только из этих блоков, составляет 0,65, что достаточно для эффективной локализации техногенных илов.
Эта технология была опробована в 1983-1985 годах. Она заключалась в установке блоков ПБ-1 в акваторию озера, с использованием инженерной машины разграждения с усиленной радиационной защитой (рис. 2), и последующей их засыпке скальным грунтом. В зимний период был применен метод подледного вытеснения и распределения илов по акватории водоема.
Рис. 2. Выгрузка бетонного блока ПБ-1 из кузова автомобиля КРАЗ с помощью инженерной машины разграждения
В 1988 и 1990 годах были разработаны проекты ликвидации (консервации) В-9 первой и второй очереди.
По проекту первой очереди закрытию подлежала северо-восточная часть акватории водоема и отсыпка разделительных дамб с разбивкой акватории водоема на чеки. Необходимость первоочередного закрытия именно этой части В-9 была обусловлена тем, что там было накоплено основное количество техногенных осадков, создававших максимальные радиационные поля вокруг водоема, в том числе и на территории промышленной площадки. К началу 90-х годов было локализовано 60% всего объема подвижных донных отложений и 70% всех радионуклидов, накопленных в В-9, площадь акватории водоема была уменьшена на треть. Деление акватории дамбами на чеки (рис. 3) позволило снизить вынос радиоактивных аэрозолей с поверхности водоема, уменьшило вероятность и тяжесть возможных последствий прохождения через В-9 смерча или вихря.
Рис. 3. Водоем-9 (1991 год)
Проект консервации В-9 второй очереди предусматривал полную ликвидацию акватории и ее рекультивацию, а также реабилитацию ближайших окрестностей водоема. Однако изменение метеорологических условий (превышение количества атмосферных осадков над испарением, начиная с середины 1980-х годов, рис. 4) вызвало повышение уровня водоема, поэтому работы были приостановлены. Потребовалась разработка новых проектных решений по консервации водоема с учетом изменившихся метеорологических условий.
Рис. 4. Изменение интегральной водности во времени
Третья очередь проекта
Обоснование проекта консервации (ликвидации) водоема-9 было выполнено с использованием локальной геофильтрационной модели района Карачая. Определено, что рост уровня воды в основном обусловлен инфильтрационным питанием и поверхностным водостоком с засыпанной части водоема. Был выполнен базовый прогнозный расчет изменения уровня В-9, не предусматривающий технических мероприятий по регулированию водного баланса водоема, и проведен анализ возможных технических мероприятий по стабилизации и снижению уровня В-9. Основными техническими мероприятиями признаны гидроизоляция закрытой части водоема, сооружение водоотводного нагорного канала и водоотводной канавы. Реализация проектных решений (рис. 5) по регулированию водного баланса водоема позволила в 2005-2007 годах продолжить работы по консервации и сократить площадь водоема с 11,6 га до 7,8 га. Полное закрытие водоема по проекту третей очереди с учетом выполненных подготовительных работ может быть осуществлено в кратчайшие сроки (один-два) после пуска в эксплуатацию комплекса по переработке РАО средней активности на ФГУП «ПО «Маяк».
Рис. 5. Водоем-9 (1999 год)
Оценка последствий консервации
Прогноз разгрузки загрязненных подземных вод в реку Мишеляк был выполнен с использованием модели GEON-3DM. Задержка радионуклидов трещиноватыми породами учитывалась на основании результатов исследований загрязненного керна горных пород из центральной зоны ореола. Суммарная активность 90Sr в твердом ореоле составила 88 тыс. Ки, а в водном – 22 тыс. Ки. Несмотря на значительные количества 90Sr, накопленного в водоеме и в твердом ореоле, его разгрузка в Мишеляк не превысит 0,12 Ки/год, что ниже радиоактивного стока с площади водосбора этой реки и практически не влияет на состояние гидрографической сети.
Результаты прогнозных расчетов подтверждают длительный период релаксации геологической среды, продолжительное время находившейся под воздействием такого природно-техногенного радиационно опасного объекта, как озеро Карачай, и необходимость продолжения мониторинга состояния геологической среды вокруг этого объекта.
В 2007-2008 годах было выполнено обобщение результатов всех исследований и опыта реализации проектных решений с целью создания на примере водоема-9 методологии вывода из эксплуатации водоемов-хранилищ жидких радиоактивных отходов. Эта работа была выполнена творческим коллективом ученых и инженеров ИГЕМ РАН, ФГУП «ПО «Маяк», ФГУП «Гидроспецгеология», ЗАО «Геоспецэкология».
Впервые природная геологическая среда была рассмотрена не только как объект ущерба от деятельности человека, но и в качестве естественного защитного барьера, ограничивающего распространение загрязняющих веществ. Результаты многолетних исследований обобщены в «Атласе геоэкологических карт масштаба 1:50000 – 1:100000 на территорию зоны наблюдения ФГУП «ПО «Маяк» и монографии «Водоем-9 – хранилище жидких радиоактивных отходов и воздействие его на геологическую среду» (рис. 6).
Рис. 6. Атласы геоэкологических карт масштабов 1:50000 – 1:100000 и 1:100000-1:200000 на территорию зоны наблюдения ФГУП «ПО «Маяк» и монография «Водоем-9 – хранилище жидких радиоактивных отходов и воздействие его на геологическую среду»***
Уникальная по объему и тематической широте охвата проблемы научно-методологическая основа поддержки проектных решений по В-9 позволила обосновать способ вывода из эксплуатации ядерно-радиационного объекта путем консервации находящихся в нем радиоактивных веществ на месте их локализации без существенного последующего воздействия на природную среду. В водоеме Карачай локализовано и надежно изолировано без существенного последующего воздействия на природную среду более 200 тыс. м3 высокорадиоактивных техногенных илов и слагающих ложе водоема Карачай суглинков общей активностью около 100 млн Ки.
Авторы
С.В. Баранов, к.т.н., Г.Ш. Баторшин, Ю.Г. Мокров, д.т.н. (ФГУП «ПО «Маяк»),
В.И. Величкин, чл.-корр. РАН (ИГЕМ РАН),
М.Л. Глинский, к.т.н., Е.Г. Дрожко, к.т.н., Т.И. Климова (ФГУГП «Гидроспецгеология»)
