Ассоциированная химико-реакционно-транспортная модель полигона подземного захоронения ЖРО НИИАР

Полигон подземного захоронения (ППЗ) ЖРО Научно-исследовательского института атомных реакторов действует с 1969 года. Для контроля и управления процессом нагнетания отходов используется 35 (или 39) наблюдательных скважин, с помощью которых определяется радиоактивность пластовых вод и мощность гамма-излучения вмещающих пород [1]. Однако результаты наблюдений в скважинах не позволяют ответить на некоторые оперативные вопросы безопасности захоронения и возможных последствий, например, изменения режима нагнетания, нагнетающей скважины, радионуклидного или химического состава отходов и т.д. Ответы на них можно получить, используя «физико-химическое» моделирование полигона подземного захоронения ЖРО [2,3].

Одна из задач, которая решается при создании соответствующих моделей – достижение адекватности модельных ситуаций реальным обстоятельствам. Она определяется достоверностью имитации распределения ЖРО в пласте-коллекторе – IV проницаемой зоне – для разных объемов и режимов нагнетания ЖРО.

Общая характеристика модели ППЗ НИИАР SO3D_IAR

Концепция математической 3D-модели для ППЗ НИИАР реализована в виде «Ассоциированной химико-реакционно-транспортной модели полигона подземного захоронения ЖРО НИИАР/SO3D-IAR», разработанной специалистами кафедры гидрогеологии Санкт-Петербургского университета и ЗАО «Софдек». В программе моделируется распространение 8 радионуклидов (^134,137Cs, ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ru, ⁶⁰Co, ¹⁴⁴Ce, ^152,154Eu) в 4 образующих пласт средах (твердая фаза, жидкая фаза, проточная жидкость, застойная жидкость), для 7 гипсометрических уровней (-1071, -1113, -1155, -1197, -1239, -1281, -1323 м) в расчетной области 2,5х2,5 км с центром приблизительно в районе скважины Р4 (рис.1).

Рис.1. Расположение скважин в моделируемой области ППЗ НИИАР

Оценка риска производится по значению эффективной дозы облучения при предположительном потреблении населением пластовой воды, разбавленной до минерализации 2 г/л. Результаты расчетов выводятся в виде 51 цветной карты на каждый гипсометрический уровень IV горизонта и 11 хронограмм. Область моделирования расположена внутри II пояса санитарно-защитной зоны ППЗ и ограничена в плане круговым контуром диаметром 2,5 км (рис. 3). Центр области – в точке с координатами 15500 м (Х) и 22030 м (У).

Верхней границей служит подошва верейской водоупорной толщи, нижняя граница соответствует кровле окско-яснополянской водоупорной толщи. Проницаемость обеих толщ на 2-4 порядка ниже, чем у IV проницаемой зоны (IV горизонта). В пределах области моделирования IV горизонт имеет мощность 310-320 м и полого (около 1º) погружается к северо-востоку в интервале абсолютных глубин от -1045 до -1080 м (кровля) и от -1360 до -1400 м (подошва).

Модель основана на следующих предпосылках.

Геологическая среда гетерогенна (фильтрация происходит по трещинам, имеющим малую емкость) и обладает плановой анизотропией. Фильтруемые упругие флюиды имеют переменные плотность и вязкость, фильтрация осуществляется в нестационарном режиме.

Жидкость в трещинах и жидкость в матрице обмениваются и перетекают из одной области в другую. Перенос растворенных веществ осуществляется путем конвекции переноса и диффузионного обмена между «проточным» флюидом в трещинах и «застойным» в порах матрицы;

Изменение концентрации растворенных веществ предполагается в результате:

• радиоактивного распада;
• смешения пресных отходов с пластовым рассолом, изменяющем их физические свойства (плотность, вязкость, сжимаемость, неаддитивность смешиваемых объемов);
• гомогенных равновесных процессов в жидкой фазе (таких как комплексообразование, кислотно-основные взаимодействия, гидролиз катионов);
• гетерогенных процессов (таких как равновесный изотопный обмен, поликомпонентный ионный обмен, неравновесные процессы растворения – осаждения твердых фаз).

Для определения адекватности описания моделью процессов нагнетания ЖРО были использованы данные по 44 циклам закачек в первые 2,5 года эксплуатации IV горизонта (март 1973 года – сентябрь 1975 года). За этот период в горизонте через три нагнетательные скважины (Н2, Н4, Р5) было захоронено 203 тыс. м³ ЖРО суммарной активностью 6590 Ки. В модели использованы гидрологические параметры и свойства пласта-коллектора, определенные на стадии их подбора по кривым репрессии и депрессии на нагнетательных скважинах (опыты 1979 года и 1988 года), а также информация о всех циклах (объемы и даты начала и конца нагнетаний) [1].

Демонстрируемые результаты относятся к конечному этапу месячной закачки в скважине Н4, длившейся с 21 июля по 18 августа 1975 года (рис.1). Основное внимание обращено на отражение в результатах моделирования наиболее важных типов миграционных процессов, описанных математической моделью.

На рисунках 2-10 приведены результаты моделирования.

Поле давлений

Распределение давлений отражает плановую анизотропнию проницаемости пород (рис. 2). Максимальное повышение давления от начального (на вершине купола репрессии) составляет 0,90 МПа (9,2 ат). Это значение снято с карты и соответствует сеточной ячейке, в центре которой расположена нагнетательная скважина Н4. Аналитическое решение уравнения Тэйса для осредненного кругового контура ячейки (с нагнетательной скважиной Н4) при параметрах: r = 9,5 м, t = 27 сут, эквивалентная проницаемость изотропной среды к = 1,6∙10-14 м², вязкость отходов  Па∙с =  МПа∙сут, средний коэффициент упругой емкости  МПа^-1, пьезопроводность   вскрытая мощность пласта 237 м – дает величину, близкую к модельному значению,  0, 897 МПа. Необходимо отметить несколько наблюдений, сделанных во время моделирования: на северо-восточной границе области моделирования к концу нагнетания величина  составила +0,02 МПа (около 2 м  водяного столба), на противоположной юго-западной границе она поднялась на 0,01 МПа; модельные значения  в нескольких ближайших скважинах на 27-е сутки оказались равными: 0,397 МПа (Р4), 0,366 МПа  (Р5), 0, 232 МПа (Н2), 0,154 МПа (Р11), 0,13 МПа (Р9).

Упругая емкость пласта

Рис.3. Карты-схемы расположения скважин (Н2,Н4,Р4,Р5,Р9 и Р11) и значений коэффициента упругоемкости (профиль: скважина Н4-Р5-Н2) на гипсометрическом уровне -1113 м

Карта коэффициента упругоемкости (рис.3) демонстрирует достаточно широкий диапазон изменений этого параметра и его связь не только с давлением, но и с более высокой, по сравнению с рассолами, сжимаемостью отходов. Значения относятся к стадии нагнетания, величина   на гипсометрическом уровне -1113 м меняется от 4,5∙10-6 до 6,0∙10-6 МПа-1. После остановки нагнетания коэффициенты упругой емкости уменьшаются и через 28 дней после остановки скважины указанный интервал сужается до (4,6-4,7)∙10^-6 МПа^-1.

Перетоки между трещинами и матрицей

Рис.4. Карты-схемы перетоков (а – конец нагнетания; б – через 2 сут. после остановки нагнетания)

На рисунке 4а показан конечный этап периода нагнетания, когда давление в трещинах еще повышается и переток направлен в матрицу. Рисунок 4б отражает ситуацию через двое суток после остановки нагнетания в скважину, когда купол репрессии рассасывается, давление в трещинах уменьшается, и поток направлен уже из матрицы в трещины. Своеобразное возвратно-поступательное движение жидкости в породе является дополнительным фактором миграции растворенных веществ (их задержки и рассеивания).

Перенос растворенных веществ без учета химических превращений

Рис.5. Карты-схемы распространения трассера за тестовый период (профиль: Н4,Р5 и Н2) на гипсометрическом уровне 1113 м IV горизонта

В модели в качестве трассера (показателя миграции) принят виртуальный инертный индикатор, который отсутствует в естественных водах IV горизонта, но концентрация которого в отходах принимается равной 1. В условиях ППЗ НИИАР его величина фактически равна текущей массовой доле отходов в подземной воде в рассматриваемой точке. Распространение трассера за тестовый период (профиль: Н4,Р5 и Н2) на гипсометрическом уровне 1113 м IV горизонта приведено на рисунке 5. Контур, ограничивающий внутри серого фона зону распространения трассера, приведен на картах и профилях по значению его концентрации – 10-6 (соответствует появлению в подземных водах горизонта самых ранних следов радиоактивности). Желто-коричневые овалы совпадают с ореолами распространения подвижной воды с низкими или пониженными значениями минерализации и плотности. Видно, что зона распространения трассера в застойных поровых водах матрицы заметно меньше по размерам и численным значениям, но имеет аналогичные очертания. Роль кондуктивного переноса (диффузионный обмен в двойной среде), наряду с конвективными перетоками «матрица – трещины», нагляднее всего проявляется в хронограмме баланса инертного индикатора-трассера (рис. 6). Графики на рисунке 6 показывают, что после довольно быстрого установления этого процесса около 90% инертного растворенного вещества задерживается в застойной воде матрицы.

Рис.6. Динамика (хронограмма) баланса трассера в IV горизонте

Плотностная конвекция, объемная активность пласта

Рис.7. Карты-схемы и профили вертикальной компоненты скорости фильтрации (а) и эффекта всплывания легких растворов на миграцию радионуклидов (б)

Карты вертикальной компоненты скорости фильтрации (рис. 7) свидетельствуют о медленном всплывании более легких растворов в границах ореолов их распространения и об опускании более тяжелых рассолов за пределами этих границ. Эффект всплывания, несмотря на небольшую длительность тестового модельного периода, проявляется в тенденции к ускорению центробежной миграции радионуклидов в верхней половине пласта. Карта объемной активности пласта показывает, что зона распространения радионуклидов (суммарно для обеих фаз и сред) по размерам и очертаниям совпадает с ореолом инертного трассера (рис.5). Максимальное значение рассматриваемого параметра наблюдается вблизи скважины Р5 (3,46∙108 Бк/м3), через которую было захоронено наибольшее (за модельный период) количество отходов. Минимальное значение на контуре ореолов равно 135 Бк/м3 , контур достиг скважины Р9.

Миграция радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs

Рис.8. Карты-схемы текущего распространения 90Sr и 137Cs на гипсометрическом уровне 1113 м на конец нагнетания

В сопоставлении рассматриваемых карт-схем, изображенных на рисунке 8,  отчетливо проявляется известный факт значительно медленной миграции ¹³⁷Cs по сравнению с ⁹⁰Sr. Контур распространения ⁹⁰Sr практически совпадает с контурами инертного индикатора (рис. 5) и объемной активностью IV горизонта. Этот результат моделирования соответствует данными наблюдений, согласно которым в условиях ППЗ НИИАР миграция микроконцентраций радиостронция происходит со скоростью переноса подземными водами инертного трассера [4]. Причиной этого явления служит изотопный обмен между растворенным ⁹⁰Sr и его природным стабильным изотопом ⁸⁷Sr, изначально присутствующим в поглощающем комплексе пород. Этот процесс значительно ослабляет сорбируемость радионуклида.

Динамика баланса радионуклидов и оценка погрешностей

 

Рис.9. Изменение во времени (хронограмма) основных элементов баланса, выраженных в % от кумулятивно нарастающего количества радионуклида, попадающего в IV горизонт (а), и невязка баланса (б)

Хронограмма баланса ⁹⁰Sr вычисляется с момента начала эксплуатации IV горизонта и характеризует всю моделируемую область в целом (рис.9). График показывает изменение во времени основных элементов баланса, выраженных в процентах от кумулятивно нарастающего количества радионуклида, попадающего извне в IV горизонт. Из рисунка 9 следует, что к моменту окончания тестового модельного периода только 5% от общего количества попавшего в пласт ⁹⁰Sr находится в подвижной воде трещин. Остальные 95% адсорбировано, распалось, или находится в застойных водах матрицы. Погрешности (невязка) баланса каждого из радионуклидов приведена на рисунке 9б.

Оценка риска облучения

Рис.10. Карты-схемы распределения эффективной дозы внутреннего облучения человека при смешении пластовых вод с питьевой (профиль: Н4,Р5 и Н2)

 На рисунке 10 приводится профиль эффективной дозы внутреннего облучения человека в условиях всего горизонта и карта для одного из гипсометрических уровней – на конец тестового модельного периода. В расчетах учитываются оба вида подземных вод (трещинная и поровая). Граничному контуру соответствует доза 0,1 мЗв/год. Дозы меньше этой величины, согласно нормам радиационной безопасности, не требуют проведения мероприятий по снижению радиоактивности пластовой воды.

Литература:

1. А.С.Ладзин, А.М.Улюшкин, А.М.Соболев и др. Опыт обращения  с радиоактивными отходами  в ГНЦ РФ НИИАР/ Научно-производственный журнал Научно-технический калейдоскоп серия «Экологическая и производственная безопасность» №1  стр.45-50, г.Ульяновск, 2001 г.
2. Н.Егоров. Организация и ведение объектного (локального) мониторинга состояния недр на полигонах подземного захоронения жидких промышленных отходов // Тезисы докладов, Международный семинар: Опыт эксплуатации полигонов глубинной изоляции (захоронения) промышленных стоков и жидких радиоактивных отходов, Димитровград, 23-25 августа 2005 г. – С. 50.
3. А.М.Соболев, В.А.Гремячкин. Концепция 3D компьютерной модели миграции ЖРО в IV проницаемой зоне полигона подземного хранения НИИАР // Тезисы докладов, Международный семинар: Опыт эксплуатации полигонов глубинной изоляции (захоронения) промышленных стоков и жидких радиоактивных отходов, Димитровград, 23-25 августа 2005 г. – С. 76.
4. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин  П.П. и др. - Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов.- М.: ИздАТ, 1994, 256 с. Ил.