5 марта 2013

Надежность природных барьеров: прогноз, реальность и корректирующие мероприятия

Atomic-Energy.ru
Рис. 1. Сценарий перемещения радионуклидов с инфильтрационным потоком

В течение 50 лет ГУП МосНПО «Радон» успешно выполняет задачи по  безопасному долговременному хранению радиоактивных отходов на своей площадке. Специалисты предприятия самостоятельно анализируют возникающие проблемы и находят эффективные технические решения, направленные на улучшение экологической обстановки как на самой площадке, так и на прилегающих территориях.  

Участки для размещения приповерхностных хранилищ радиоактивных отходов (в то время – могильников РАО) выбирались в начале 1960-х годов. Специальных нормативных документов, регламентирующих выбор площадок, в это время еще не существовало.

Для предотвращения выхода радионуклидов в окружающую среду при размещении  РАО использовались защитные свойства инженерных и геологических барьеров.

Выбор геологических барьеров производили, в первую очередь, исходя из принципа предотвращения попадания радионуклидов через зону аэрации в первый от поверхности водоносный горизонт за счет вертикального инфильтрационного потока. Согласно такому подходу, приповерхностные хранилища должны располагаться во вмещающих породах, представленных глинистыми минералами, которые обладают низкой водопроницаемостью и большой сорбционной емкостью. Породам зоны аэрации отводилась роль главного природного защитного барьера.

Кроме того, при выборе площадок для строительства приповерхностных хранилищ изначально учитывали гидрогеологические условия: хранилища должны были располагаться на незатопляемых и незаболоченных участках с низким уровнем грунтовых вод, с толщиной водоупорных (глинистых) осадочных пород не менее 20 м и не ближе 500 м от открытых водоемов.

Прогнозные расчеты экологической безопасности

Описанный выше подход использовали при выборе площадок для строительства на территории Российской Федерации спецкомбинатов системы «Радон».

В качестве примера в таблице 1 приведены основные гидрогеологические характеристики (на начало 1960-х годов) нескольких площадок спецкомбинатов в Центральном, Поволжском и Южном регионах. Все они размещены в глинистых отложениях (тяжелые супеси и суглинки четвертичного возраста), хотя находятся в разных природно-климатических условиях. На участке в Московском регионе ближайший водоносный горизонт находился на глубине 40-60 м от основания приповерхностных хранилищ радиоактивных отходов.

 

Таблица 1. Гидрогеологические характеристики пород зон аэрации площадок СК «Радон» (ненарушенные породы) 

 

Московский

Самарский

Саратовский

Волгоградский

Ростовский

Гидрогеологические параметры

Мощность пород зоны аэрации, м

46 (60)

9

18

30

10

Общая пористость пород зоны аэрации, n

0,46

0,4

0,53

0,42

0,4

Средний уклон поверхности, I

0,02

0,04

0,07

0,06

0,08

Средний коэффициент:

фильтрации, Кo, м/сут

0,012

0,001

0,69

0,00021

0,0084

вертикального                влагопереноса, К, м/сут

0,001

0,0006

0,044

0,00003

0,0002

водоотдачи, µ

0,05

0,02

0,15

0,004

0,01

распределения 137Cs, Kd, мл/г

340

3000

1100

1200

7650

замедления 137Cs, Rt

1550

13200

3990

4490

35900

Объемная масса пород зоны аэрации, ρ, кг/м3

 

2100

 

1760

 

1920

 

1570

 

1880

Климатические параметры

Среднегодовое количество атмосферных осадков, мм/год

650

720

350

478

480

Среднегодовое испарение, мм/год

 

500

 

700

 

800

 

900

 

900

Глубина промерзания, м

1,2¾1,6

0,9

0,4¾0,6

1,1

0,39¾0,65

 

Из таблицы следует, что ненарушенные породы на выбранных площадках обладали, в основном, низкой водопроницаемостью (0,00021-0,69 м/сут) и высокими сорбционными характеристиками по отношению к основному дозообразующему радионуклиду 137Cs (Kd=340-7650 мл/г). Значит, при прогнозе и моделировании «аварийного» сценария распространения радионуклидов (рис. 1), расстояние воз­можного перемещения нуклидов с инфильтрационным потоком будет в тысячи раз меньше (Rt=1550-35900) по сравнению с перемещением фронта жидкой фазы без сорбции.

 

Рис. 1. Сценарий перемещения радионуклидов с инфильтрационным потоком

 

Прогнозные расчеты показали, что за период 300 лет возможное вертикальное перемещение радионуклидов при заданных сорбционных параметрах не превысит нескольких метров. Причем остаточная величина удельной активности жидкой фазы будет меньше величины уровня вмешательства УВ, которая для 137Cs составляет 11 Бк/л (таблица 2).

 

Таблица 2. Результаты прогнозных расчетов характеристик фильтрационного потока на площадках СК «Радон»

Параметры

Московский

Самарский

Саратовский

Волгоградский

Ростовский

Начальная удельная активность жидкой фазы, Бк/л

10000

10000

10000

10000

10000

Максимальная удельная активность жидкой фазы через 300 лет, Бк/л

 

<1

 

<0,4

 

<0,1

 

10

 

<0,1

Время достижения уровня вмешательства для 137Cs(УВ=11Бк/л), лет

 

180

 

110

 

65

 

270

 

250

 

Следовательно, защита первого от поверхности водоносного горизонта – вполне выполнимая задача.

Изменение морфологии площадки ГУП МосНПО «Радон»

По мере сооружения и эксплуатации хранилищ РАО антропогенное воздействие изменило свойства верхней части геологического барьера.

При строительстве и вводе в эксплуатацию хранилищ облик верхней части пород зоны аэрации начал интенсивно меняться. Так, морфология площадки МосНПО «Радон» претерпела существенные изменения, что было связано с прокладкой подъездных путей и коммуникаций, выемкой грунтов из котлованов с образованием насыпей и понижений, асфальтированием и бетонированием, сооружением дренажных канав и прудов-отстойников для отвода поверхностных вод, бурением опорных инженерно-геологических скважин под хранилища и другими техногенными воздействиями. При этом, разумеется, изменились и свойства пород верхней части зоны аэрации. В частности, сформированные насыпные разуплотненные грунты стали обладать меньшей объемной массой (на 5-20%) и повышенной водопроницаемостью – коэффициент фильтрации в приконтурной зоне некоторых хранилищ увеличился до нескольких метров в сутки.

В конечном итоге, техногенное воздействие на верхнюю часть пород зоны аэрации создало условия для формирования техногенного водоносного горизонта. При этом приконтурные зоны хранилищ начали выполнять функцию ловушек для поступающих в них поверхностных вод, а ненарушенные породы зоны аэрации – роль нижнего водоупора.

Формирование вод техногенного происхождения в значительной степени обусловлено природно-климатическими факторами, в частности, интенсивностью выпадения и испарения атмосферных осадков. Для площадки МосНПО «Радон» характерно доминирование выпадения атмосферных осадков над испарением. На рисунке 2 показано изменение морфологии площадки к 2000 году в результате воздействия указанных выше факторов.

 

Рис. 2. Изменение морфологии площадки размещения РАО за 40 лет

Начало 60- годов

 

Конец 90-х годов

 

Результаты контроля миграции радионуклидов

Практически сразу же после размещения первой партии РАО в 1961 году на площадке МосНПО «Радон» была организована система контроля состояния окружающей среды и пути возможной миграции радионуклидов при хранении РАО. Результаты контроля показали, что в 1960-1980 годы некоторые хранилища практически полностью заполнялись водой, уровень которой менялся в зависимости от интенсивности выпадения атмосферных осадков в разные времена года, что свидетельствовало о нарушении целостности хранилищ. Отмечалось, что объемная активность воды в результате контакта с твердыми радиоактивными отходами достигала 100 кБк/л. Эффективный объем для хранения РАО в хранилищах не превышал 38-53% из-за наличия негабаритных форм отходов.1

При изучении поведения радионуклидов во вмещающих породах было также установлено, что из-за наличия гидравлической связи между хранилищами и породами приконтурной зоны их удельная активность резко возрастает, достигая 2 МБк/кг на глубине 3-4,5 м. Однако низкие фильтрационные и высокие сорбционные характеристики вмещающих пород ограничивают выход радионуклидов за пределы участков размещения приповерхностных хранилищ РАО. Наличие таких природных барьеров позволило практически полностью задержать распространение радионуклидов.

На участках размещения приповерхностных хранилищ РАО возможны разные сценарии миграции радионуклидов.

На площадке ГУП МосНПО «Радон», помимо распространения радионуклидов в массиве пород, наблюдался также прямой выход жидкой фазы на поверхность (сценарий перелива или «Bath flooding» (рис. 3)).

 

Рис. 3. Сценарий «Bath flooding»

 

Суть данного процесса заключается в том, что породы с нарушенной и неизменной структурой при избытке атмосферных осадков не могут принять весь объем влаги, и часть ее изливается на поверхность, формируя временный поверхностный сток. Такой сценарий наиболее вероятен в весенний период, когда осадки в виде снега, скапливающегося в течение трех-четырех зимних месяцев, за пять-десять дней переходят в жидкую фазу.

Повышение безопасности хранилищ

Таким образом, при нарушении целостности хранилищ РАО велика вероятность выхода радионуклидов на поверхность с жидкой фазой. Исходя из изначально поставленной задачи (защиты нижележащих водоносных  горизонтов), вначале при эксплуатации площадки этому сценарию не уделялось особого внимания. Однако при проведении исследований 1960-1980 годов был выявлен прямой выход жидкой фазы на поверхность, и, начиная с 1990-х годов, были проведены различные технические мероприятия, позволившие предотвратить такой сценарий выхода радионуклидов в окружающую среду.

Для этого, в частности, была создана технология повторного омоноличивания, позволившая восстановить начальные свойства инженерных барьеров хранилищ. Над хранилищами начали сооружать многофункциональные покрытия, снизившие негативное температурное воздействие, а также интенсивность проникновения атмосферных осадков внутрь сооружений. Была оптимизирована система дренажа, созданы пруды-отстойники и перехватывающие колодцы. Часть приконтурной зоны хранилищ оборудовали скважинами геомониторинга. Для контроля сброса поверхностных вод созданы гидрологические посты со створами наблюдательных скважин, позволяющие контролировать также и подземный сток. В результате проведения перечисленных и других технических мероприятий экологическая обстановка на площадке существенно изменилась к лучшему (рис. 4).

 

Рис. 4. Изменение удельной активности 137Cs в поверхностном стоке в 1970-2010 годах

 

Из графика изменения величины удельной активности 137Cs в поверхностных водах (синяя линия) следует, что проведенные исследования и последующие технические решения позволили снизить сброс активности из хранилищ РАО более, чем на два-три порядка. На красной линии показан график изменения величины уровней вмешательства  для 137Cs в соответствии с нормами радиационной безопасности, которые менялись за период 1969-2009 годов – НРБ-69, НРБ-76, НРБ-76/82, НРБ-96, НРБ-99, НРБ-99/2009. За 40 лет величина уровня вмешательства для 137Cs изменилась с 555 Бк/кг до 11 Бк/кг, то есть почти в 50 раз .

Поскольку природные барьеры играют важнейшую роль при защите окружающей среды, при проектировании будущих площадок необходимо, основываясь на полученном научном и производственном опыте, учитывать возможное техногенное изменение верхней части пород зоны аэрации. Это поможет выбрать оптимальные технологии строительства хранилищ и определить реальный сценарий возможного выхода радионуклидов в окружающую среду, что позволит в дальнейшем сэкономить значительные финансовые средства: их не придется тратить на решение постоянно возникающих проблем, связанных с техногенным воздействием на природу. 

Автор

Мартьянов Владимир Владимирович , к.т.н.
ГУП МосНПО «Радон»