Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Прогноз содержания радиоактивных веществ в воде и донных отложениях водоемов в зоне воздействия АЭС

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Прогноз содержания радиоактивных веществ в воде и донных отложениях водоемов в зоне воздействия АЭС"

3 у2 90

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИКИ имени АКАДЕМИКА ФЕДОРОВА Е. К.

На правах рукописи

НОСОВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

УДК 621.039.58

ПРОГНОЗ СОДЕРЖАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ВОДОЕМОВ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ АЭС

04.00.22 — геофизика

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

Москва—1990 г.

Работа выполнена в Институте прикладной геофизики имени академика Фёдорова Е.К.

Научный руководитель - кандидат технически наук, старшие

научный сотрудник Писарев В.В.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Ровинский Ф.Я.

кандидат физико-математических наук Козорезов К.В.

Ведущее предприятие - Институт экспериментальной метеорологии

Научно-производственное объединение " Тайфун "

Зашита диссертации состоится " 26 " декабря 1990 года в 14.00 часов на заседании специализированного совета Д U24.U9.0I при Институте прикладной геофизики имени академика Фёдорова К. К. по адресу: 129128, г.Москва, Ростокинская улица, 9.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан 1990 года.

Ученый секретарь

специализированного совета, к.ф.-м.н

Старкова А.Г.

I

{

- Актуальность темы диссертации. Атомная энергетика является г,:состайкой. частью энергетика СССР. В стране на I января 1990 года действуют 45 энергоблоков общей электрической мощностью 36426 Мбт» Для охлаждения ковденсаторов турбин а других технических целей на большинстве АХ принята оборотная система водообеспечеяия, важнейшим элементом которой является зодоём-охдддитель.В качестве водоёмов- охладителей используются крупные озёра, а также водохранилища, сооружаемые на реках или вблизи от них.

При нормальной работе АХ в водоёмы-охладители может сбрасываться незначительное количество радиоактивных веществ, которое в СССР регламентируется пределом дозы, установлением " Санитарными правилами проектирования и эксплуатация АХ", СП АХ - 79.

Наибольшую опасность загрязнения водных объектов представляют аварии на АХ и смежных производствах. Радиационная авария на Юз-ном Урале и авария на Чернобыльской АХ привели к обширному радиоактивному загрязнению местности, в том числе а поверхностных вод. Совершенствованию систем надёжности и безопасности на АХ уделяется особое внимание, однако полностью исключить возможность аварийных ситуаций, на таком сложном предприятии, каким является АХ, пока не удаётся. В настоящее время в сферу воздействия атомной энергетики вовлечены значительные водные ресурсы, включающие озёра северо-запада СССР, крупные реки БТС, а также прибрежные воды Черного, Балтийского и Каспийского морей. В связи с тем,'что даже при нормальной эксплуатации АХ полностью исключить поступление небольших количеств радиоактивных веществ в водоёмы-охладители не представ ляется возкохснкм.реваемая в настоящей диссертационной работе задача прогноза уровней радиоактивного загрязнения воды и донных отложений водоёмов, находящихся в зоне воздействия АХ, актуальна.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка математической модели миграций радионуклидов в водоёмах и её приложение для прогноза содержания радиоактивных веществ в водоёмах-охладителях и других неглубоких водоёмах, как при нормальной работе АЭС, так и при аварийных ситуациях.

Задачи исследований. 3 теоретическом плане были решены следующие задачи:

- разработана модель радиоактивного загрязнения воды и донных отложений водоёмов, которая рассматривает основные механизмы миграции радиоактивных веществ с учетом вертикальной неоднородности донных отложений;

- определены параметры модели и диапазон их изменения для реальных водоёмов;

-■изучены закономерности радиоактивного загрязнения верхнего, обменного слоя донных отложений в водоёмах и разработан способ определения количественных характеристик этого слоя в зависимости от гидрометеорологических условий;

- изучены.механизмы миграции радионуклидов из верхнего слоя в толщу донных отложений и определены параметры переноса радиоактивных веществ;

- разработан алгоритм и программа для использования модели при расчетах на ЭШ.

В плаче натурных и экспериментальных исследований были решены следующие практические задачи:

- сконструированы пробоотбо^ные средства и разработаны опти-ыалшге методы их использования д;;я определения содержания радионуклидов в воде и дэьных отложениях водоёмов, а также для изучения механизмов миграции радиоактивных Ееществ;

- проведены натурные исследования на Киевском всд^хралплп.4е с целью нахождения па.:ахетрс-в подели и определения радпсйктвь ноге загрязнения водоём п:сле на ЧД^С;

- выполнены натурные исследования на озерах Песьзо и Удокяя, используемых в качестве водоёмов-охладителей Калининской АЗС, с целью определения концентраций радионуклидов з воде и донных отложениях, а также для определения параметров модели;

- выполнены модельные радиоизотопные эксперименты для определения параметров сорбции и миграции радионуклидов в донной грунта Киевского водохранилища а озер Песьво и Удоьгая;

- проведена верификация разработанной модели с использованием как натурного, так и экспериментального материала.

Научная новизна работы:

1. Разработала математическая модель миграции. радионуклидов в водоёме, в которой учтены основные процессы переноса активности и впервые рассмотрены механизмы радиоактивного загрязнения верхнего обменного слоя донных отложений. Это дало возможность рассмотреть влияние вертикальной неоднородности донных отложений на процессы обмена радиоактивных веществ между водной массой и дном всдоёка и позволило повысить точность прогнозов на начальных этапах радиоактивного загрязнения водоёмов. Модель даёт возможность рассчитывать накопление радионуклидов в воде и донных отложениях водоёмов-охладителей АЗС при нормальной работе станции, а также прогнозировать радиоактивное загрязнение водоёмов при авариях на АЭС.

2. Впервые определена толщина верхнего обменного слоя сонных отложений в зависимости от гидрометеорологических условий на водоёме.

3. Впервые разработан метод, позволяющий в процессе натурных исследований водоёма определять уровни радиоактивного загрязнения верхнего обменного слоя донных отложений, находить его основные водно-физические характеристики, а также оце:шЕать возможность вторичного загрязнения воды при неблагоприятных глдрскетеоусловиях.

4. Установлены зависимости, позволяете рассчитывать коэффициенты массобмена радионуклидов между обменным и подстилающим слоем

донных отложений, глубину проникновения радионуклидов в дно водоёма а другие параметры модели; определен их диапазон изменения, что позволяет использовать модель на стадии предварительных прогнозов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

Математическая модель миграции,радионуклидов в водоёме, учитывающая влияние вертикальной неоднородности донных отложений на про цессы обмена радиоактивных веществ между водной массой и дном водоёма.

2. Закономерность существования верхнего обменного слоя донных отложений и способ определения его толщины в зависимости от гидрометеорологических условий на водоёме.

3. Экспериментальное исследование основных параметров обменного

>

слоя донных отложений на водоёмах и'определение вторичного загрязнения воды,

4. Расчётный способ определения диффузионного коэффициента ыас-сообмена между верхним обменный слоем и нижележащими донныш отложениями.

Практическая значимость работы.

Основные результаты диссертационной работы положены в основу разработки методических указаний "Методика прогнозирования состояния загрязнения водоёмов при нарушении нормальной эксплуатации АХ" РД 52.26.Г74 - 88, которая введена в действие 01.07.88г и внедрена на сети Госкокгидромета. Разработанный автором метод прогноза бы,л также использован цри расчётах накопления долгоживущих радионуклидов в воде и Дрнных обложениях ряда водоеглв-охладателеЛ действующих АЗС для условий нормальной эксплуатации, а такте при возможном ■ радиоактивно« загрязнении в случае гипотетической аварии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывалась на:

- Всесоюзной конференции "Радиационные аспекты Чернобыльской аварии" ( Обнинск, 1983г.)

- Всесоюзном научно-техническом совещания по основным результатам ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

( Чернобыль, 1988г.)

- Всесоюзном симпозиуме "Изотопы в гидросфере"(Каунас, 1989г)

- Советско-американском совещании "Охрана окружающей среды при авариях ьа АЭС" (Москва, 1989г.)

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Общий объём 160 страниц, в том числе 22 рисунка и 30 таблиц. Список литературы включает 115 работ.

С0ДЕР2АДИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Введение содержит обоснование актуальности теш работы, определяет цели и задачи исследования, научную новизну и практическое значение результатов работы.

Глава I "Проблема прогноза радиоактивного загрязнения воды и донных отложений водоёмов" состоит из трёх параграфов.

Параграф I.I посвящен особенностям поведения радионуклидов в пресноводных водоёмах. Выполнен анализ литературных источников, освещающих процессы сорбции и миграции радионуклидов в водоёмах. Отмечено, что для несложных моделей, списывающих миграцию радиоактивных веществ в водоёмах, допустимо использовать упрощающие предположения о линейной и обратимой сорбции радионуклидов взвесью и донными отложениями. Показано, что вследствии особенностей водоёмов и различия $23ико-хи?лаческах форм существования радионуклидов, использовать накопленный экспериментальный материал можно только на стадии предварительных прогнозов. Точные прогнозы уровней радиоактивного загрязнения воды а донных отложений водоёмов должны основываться на натурных исследованиях и конкретных модельных экспериментах, направленных на определение параметров сорбции

и миграции радионуклидов в исследуембм водоёме.

В параграфе 1.2 рассмотрены цринципы построения моделей миграции загрязняющих веществ в водоёмах. Приведён обзор наиболее распространённых моделей миграции радионуклидов в замкнутых а проточных водоёмах.

В параграфе 1.3 приведена условная классификация рассмотренных моделей и выполнен анализ ох пригодности для целей прогноза радиоактивного загрязнения водоёмов. Показано, что в основе подавляющего большинства.моделей лежит представление о донных отложениях, как о среде с едиными, осреднёшшыи по глубине, сорбцконныда и вод-. но-Зизкческиш свойствами. Такое упрощение может приводить к серьёзным опшбкам в расчётах, вследствзи-резкого отличия сорбционных и ' физических свойств верхнего, не учитываемого в моделях, слоя донных отложений, Выполненные анализ позволил симулировать научную задачу исследования - разработать модель миграции радионуклидов в водоёме, рассматривающую основные процессы обмена радиоактивных веществ между водаоЕ массой и дном с учётом вертикальной неоднородности донных отложений.

Глава 2 '' Модель миграции радионуклидов в водоёме" посвящена разработке трёхкамерной модели. При построении модели учтён опыт натурных исследований, выполненных автором на водоёмах-охладителях Курской, Нововоронежской, Игналинской и Калининской ASC, а также учтены основные результаты работ, полученные при исследованиях радиоактивного загрязнения Киевского водохранилища после аварии на ЧАЭС. Выбор вида и структуры модели определялись на основании следующего :

I. Радионуклиды, попадающие в водсёы, достаточно быстро и равномерно рассеиваются по объему водной массы. В условиях нормальной эксплуатации АЭС этоиу способствует интенсивная циркуляция воды, специально предусмотренная в водоёмах-охладителях. При крупных

авариях на АЭС быстрое смешение обусловлено пространственным характером поступления активности на акваторию водоёма с аэрозольными выпадениями.

2.Экспериментальные исследования на водоёмах показали, что при загрязнении водоёмов радионуклидами особую роль в процессах обмена играет верхний подвижный слой донных отложений толщиной 3 +'15 мм, названный в работе обменным слоем. За счёт процессов прямой сорбции и седиментации загрязнённой взвеси обменный слой быстро накапливает активность, определяя дальнейшие процессы перераспределения радиоактивных веществ между водной массой и дном водоёма.

В наибольшей степени отмеченным закономерностям удовлетворяет модель, построенная на основе трёхкамерной модели с сосредоточенный параметрами, в которой донные отложения представлены последовательно соединёнными камерами верхнего обменного и нижележащего эффективного слоев.

К основным механизмам переноса радионуклидов, которые учитываются моделью,относятся: распад радиоактивных веществ, гидрологический перенос активности за пределы водоёма, осаждение загрязнённых взвешенных частиц, взмучивание донных осадков, диффузионный обмен между водной кассой а дснннма отложекияш, а также процесс осадкообразования с заиления) водоёма.

При построении моделей были приняты следующие упрощающие предположения:

- об'гём водоёма постоянен;

- все механизт.ш переноса радионуклидов в водоёме описываются реакциями первого порядка с постоянными коэффициентами;

- перенос радиоактивности взвесью полидисперсного гранулометрического состава описывается с немощью механизма переноса радионуклидов монодпеперенкми Езвшеннкми частицами с характерным размером и эквивалентными ссрбцдокншз: свойствами;

- процессы сорбции и ¿«сорбции радионуклидов взвесью и донными отложенияьй мгновенны, обратимы и описываются линейной изотермой сорбции с постоянными коэффициентами распределения;

- не рассматривается накопление радиоактивных веществ в биологической компоненте водоёш,' вследствии того, что активность абиотической кокпанеиты значительно превышает содержанке радионуклидов в биомассе;

- влияние отмершей биомассы на процессы сорбции и миграции радионуклидов учитываются эквивалентными коэффициентами распределения.*

Система дифференциальных уравнений, описывающая изменение концентрации I -го радионуклида в воде, обменном и эффективном слое донных отложений водоёма, имеет вид :

с, а с *9+с<д-*с1.н- кп са V " у ~ у ~

- V* ■/»?.)+ ф&Ш + -ехр(-/с£);

«Ь Пх'Шь

(I)

-С,**

где А,- активность мгновенного источника поступления радионуклидов, Ки и Ки ■ 3,7*10^ Ш)',С<,С*,С4 - объемная концентрация радионуклидов з воде, обменном и элективном слое донных отложений соответственно, Ки/и^; ^ - постоянная распада, 1/год; V - объём

водоёма, м^; Q - расход проточных вод, м^/год; - потери

на фильтрацию и испарение, м^/год; И - средняя глубина водоёма, м; ht,Нз - толщина обменного и эффективного слоя донных отложений соответственно, м; т* - мутность вода, кг/м^; mi,ms - объёмный вес соответственно обменного л эффективного слоя донных отложений, кг/ьГ; U. - скорость осаждения вззеси характерного размера, и/год; Wie - средняя скорость осадконакопления, !."/год; Т - коэффициент диффузионного кассообмена между водной массой и донными отложениями, !^год; Р - коэффициент кассообмена при дифТ.узии радионуклидов между обменным и эффективным слоем, ü/год; St(0 - односторонняя единичная импульсная функция; Ro - мощность источника при хроническом поступления нуклида, Ки/год; /с - коэффициент, учитывающий снижение активности при хроническом загрязнении водоёма, I/год; Кп - коэф^а-циент распределения радионуклида между водой и паром над зеркалом водоёма, б/р; а£р<у du, dpi - доля радионуклида в растворе соответственно для воды, обменного и эффективного слоев, б/р; сЫ, drt^rj доля радионуклида, сорбированного твёрдой фазсй, соответственно в воде, обменном и эффективном слое, б/р. Значения^' и drj в системе уравнений (I) определяются из следующих выражений:

dpjr / + ' {2) .

otTj = , (3)

4 *&Jj rr>j ' ...

где j - индекс, принимающий значение: I - воднгя масса, 2 - обменный слой, 3 - эффективный слой;

коэффициент распределения радионуклидов при сорбции взвесью

о

и донными отложениями, ьг/кг.

Решение системы дифференциальных уравнений (I) было найдено

в аналитической форме. В общем виде оно может быть представлено следующей зависимостью 4

С^г)= 2Ац-ехр(-ВМ) 14)

Расчётккэ значения входящих в формулу (4) величин АЦ и 54 определяются начальными условиями загрязнения, источником поступления активности в водоём и зависят от параметров переноса радионуклидов.

Аналитическое реиекие позволяет наглядно интерпретировать результаты прогноза.и использовать промежуточные расчёты.

В качестве источника радиоактивного загрязнения, как следует из системы уравнений (I), модель рассматривает комбинацию мгновенного и хронического поступления активности, заданного в экспоненциальной форме, что позволяет учесть наиболее характерные случаи загрязнения водоэмев. При этом источник мгновенного поступления радионуклидов может описывать аварийные ситуации, связанные с аэрозольными выпадениями радиоактивных веществ на поверхность водоёма и заллозые сбросы жидких отходов. Хроническое загрязнение водоёмов при нормальной работе АЭС обусловлено регламентированными поступле-нияш активности, а при аварийных ситуациях может быть выззано выносом радионуклидов с речными водами в результате промывания загрязнённых водосборов и русел рек.

Принятое в модели двухслойное представление донных отложений, с верхним обменным слоем, позволяет достаточно просто рассчитать вторичное загрязнение водной массы водоёмов, связанное с взмучиванием части загрязнённых осадков обманного слоя при штормовых условиях по формуле

С»т -- С< * С&г^ , (5)

/

где Кг. - толщина обменного слоя донных отложений пра штормовых гидрометеорологических условиях на водоёме.

Б наибольшей степени предлагаемая модель применима к мелководным, хорошо перецениваемым Еодоёмам, в которых отсутствует температурная стратификация.

С целью ускорения вычислительного процесса при использовании модели в задачах прогноза уровней радиоактивного загрязнения водоёмов разработана и приводится программа на алгоритмическом языке Бейсик.

Глава 3 и Определение параметров модели миграция радионуклидов в водоёмах" посвящена нахождению расчётных соотношений для определения численных значений параметров модели и диапазона ах изменений в реальных водоёмах, что позволяет использовать модель на стадии предварительных прогнозов радиоактивного загрязнения водоёмов, а также при проектировании АЭС.

Б параграфе 3.1 рассматривается определение толщины обменного слоя доняых отложений. Выдвинута гипотеза образования обменного слоя в замкнутых и слабопроточных Еодсёмах и предложена схема расчета толщины этого слоя в зависимости от гидрометеорологических условий на водоёме.

Натурные наблюдения за радиоактивны:® веществами в водоёмах показали, что на целом ряде участков дна с глубинами 4-6 м толщина загрязнённого в начальный период (до 0,5 года) верхнего подвижного слоя донных отложений была соизмерима с толщиной еязкого подслоя движущейся водной массы. Это позволило предположить, что в заи-ляемых водоёмах для частиц размерами менее 0,1 мм, а именно такие частицы, в основном, участвуют в перекосе радионуклидов, обменный слой образуется в пределах вязкого подслоя. В условиях гладкостен-ного сопротивления толщина этого подслоя относительно неразрываемых • отлскенг?. определяется суммой стоковых аветроЕих течений. По мере

осаждения взвеси вязкий подслой насыщается загрязненными частицами, образуя обменный слой донных отложений, Вследстваа этого толщину обменного слоя можно рассчитать по формуле

А . А • ,,,

где Р - кинематическая вязкость воды с учетом содержащихся взвешенных частиц, U* - динамическая скорость, м/с; А - коэффициент, равный (12 * 30) б/р.

Для определения численных значений динамической скорости в работе предложена расчётная схема, в основу которой положены известные в гидрологии.соотношения.

Указанный подход был применён для определения толщины обменного слоя донных отложений озёр ПесьЕО и Удопля - охладителей Калининской АЭС,и ряда друхих водоёмов. При средних метеоусловиях в безлёдный период а скоростях течения 3+7 см/с расчётная толщина обменного слоя находилась в согласии с результатами измерений и на участках дна с глубинами 3*7 м составляла 0,2 * 1,5 см.

Параграф 3.2 посвящен определению толщины элективного слоя донных отложений. Толщина эффективного слоя hs в предложенной модели определяется глубиной проникновения L -го радионуклида в . толщу донных отложений на заданном отрезке времени, с заранее выбранным уровнем обеспеченности. Величину Аз е водоёмах,находящихся в эксплуатации,целесообразно определять с учётом натурных исследований. На стадии предварительных прогнозов для оценки эффективного слоя дояных 01ложениГ;, в котором радионуклиды присутствуют с вероятностью не менее 99,7£, предложена простая зависимость

/ia= 2,6fë)t +Wct , (7)

где 2? - эффективный коэффициент диффузии радионуклида в донлых отложениях, м^/с; t - время с момента поступления радионуклида в водоём, с; Wc - скорость осадкообразования, и/с.

Формула (7) получена з предположена, что вертикальный профиль радионуклидов в донных отложениях близок к одностороннему нормально!^- закону распределения для тех случаев, когда мокнс пренебречь влиянием зеиления на процессы диффузии.

В параграфе 3.3 рассмотрены расчетные способы определения коэффициентов массообменч Т и ?> - Приведены вероятные значения этих коэффициентов в реальных водоёмах.

Получена формула для оценки среднего, на отрезке времени Т , коэффициента _р , определяющего диффузионный перенос находящихся в растворимой форме радионуклидсз между верхним обменным и эффективным слоем донных отложений

Г --,

о '

Функция У ■ в формуле (8) определяется выражением

Формула (8) получена в предположении, что миграцию радионуклидов из верхнего обменного слоя вглубь донных отложений можно описать одномерным уравнением диффузии в полубесконечную среду с постоянным эффективные коэффициентом диффузии.

Для случая, когда Д3 ' , формула (8) упрощается и

имеет вид

¿(Ас<3 т} + (Ю)

В параграфах. 3.4 - 3.6 на основании анализа литературных источников и данных, полученных автором, приводятся вероятные значения коэффициентов распределения при сорбции радионуклидов различш*-кн типами донных отложений, а также даны значения обьё:.:?:ого веса для некоторых типов отложений. Выполнены оценки значений мутности воды

з водоёмах т^ , скорости осаждения загрязнённой взвеси и к скорости осацконакоплекпя ^с - параметров, в значительной степени влияющих па конечные результаты расчётов.

В парагра&е 3.7 рассмотрены параметры кодели, характеризующие источник поступления радиоактивности в водоём при нормальной эксплуатации АЭС и в аварийных ситуациях. Приведены оценки значения коэффициента /с для сличая, ¡гроггзеского загрязнения водоёшв, выгьанного смывом долгохивущих радионуклидов с загрязнённых водос-бороБ.

В главе 4 " Натурные зкспериме.ч'сальные исследования на водоёмах с различной степенью содержания радиоактивных веществ" рассмотрено оборудование, специально разработанное для определения содержания радионуклидов з воде и донных отложениях, а также для нахождения параметров модели миграции радионуклидов путем проведения натурных исследований на водоёмах. Приведены способы и результаты экспериментальных измерений наиболее важных параметров модели для Киевского водохранилища - водоёма, загрязненного радиоактивными веществами в результате аварии на ЧАХ, а также для озёр Песьво и Удоыля - охладителей Калининской АЭС.

Параграф 4.1 посвящен описанию разработанного оборудования и методам его применения на водоёмах.

Цриведена схема фильтровальной установки, работающей при помощи сжатого воздуха. Отсутствие источника электроэнергии позволяет широко использовать установку для анализа проб еоды в полевых условиях.

Рассмотрен специально разработанный для изучения характеристик

обменного слоя и уровней его радиоактивного;загрязкения вакууьнк:'.

пробоотборник. Схема пробоотборника приведена на рисунке. Принцип работы пробоотборника заключается, в следующем: с помощью вакуумного

насоса 5 з герметичной баке 3 объёмен 40 литров создаётся разряжение. Это даёт возможность осуществлять всасывание води, которая проходит через боковые отверстая установленного на дне колокола I и взмучивает находящийся под ним подвижный слой отложена'. Взмученные частицы поднимаится по всасывающему клангу 2 а поступает в приёмный бак 3. По пере накопления: бака проба переносится в полиэтиленовые ёмкости. После осаддения а декантзщш. воды отсосанный ш-терлал можно использовать для определения водно-фа заческах характеристик обменного слоя и его радисактпЕноста. для каждого исследуемого водоёма скорость всасывания может быть подобрана экспериментально (.путём изменения размеров колокола) таким образом, чтобы соответствовать критическим условиям взмучивания докннх отложена!1 при штормовых условиях. В этом случае прибор можно использовать для экспериментальных оценок вторичного загрязнения водоёмов при неблагоприятных гадрометеоусловаях.

Рассмотрены методы испсльзовакия грунтозаборпьк трубок а неонового пробоотборника для изучения механизмов маграцаа радионуклидов в глубину донных отложений. Для уменьшения вносимых в структуру проб искажений предложена ыетодака, которая предусматривает выдавливание отобранных образцов с всыощьв сжатого воздуха.

Параграф 4.2 посвящен изучению а анализу радиоактивного заг-рязне:!ая Невского водохранилищ после аварии па ЧАЗС с цельэ нахождения парапет;: оз л проверки предложенной аэделд. Определены уроьна радиоактивного загрязнения воды и донных отложений водохранилища в летне-осенний период 1586 года. Использование вакуумного пробоотборника позволило определить основные характэристика ооме;шого слоя, измерить уровни его радиоактивного загрязнения а оценить вторичное загрязнен;:е воды Киевского водохранилища. Было экспериментально установлено, что из обменного слоя донных отложений в воду при штс^-ксвых ус~оз;:ях в среднем поступает около 100+120 у/иг загрязненных тсалс-АГ.сперсиух наносов с размерами менее 0,1 иг. Поскольку средняя

■ Схема вакуумного пробоотборника I - колокол, 2 - всасывающий шланг, 3 - приёмный бак, 4 - вакуумный шланг, 5 - вакуумный насос, 6 - трос гидрологической лебёдки.

глубина Киевского водохранилища составляет 4 :д, то добавка к средней мутности при штормовых условиях не превысила 30 ыг/л. С учётом степени загрязнения частиц обменного слоя была рассчитана дозовая нагрузка, получаемая населением при возникновения неблагоприятных метеоусловий. Эта оценка показала, что доза, определяемая суммой всех радионуклидов в предположении, что вода используется для питья без какой-либо предварительной очистки, не превышает 25,» от допустимого предела.

В результате изучения механизмов миграции цезия-137 в воде и донных отложениях были экспериментально определены параметры мат-рацеи этого радионуклида, используемые в модели.

В параграфе 4.3 рассмотрены натурные а экспериментальные исследования па озёрах Десьво и Удомля. Цель исследований заключалась в определении содержания радионуклидов в озёрах и нахождении параметров модели для её проверки в условиях нормальной эксплуатации АЭС.

Была установлены концентрации долго-тавущих радионуклидов в воде и донных отложениях. Параметры обменного слоя определялись с помощью вакуумного пробоотборника. На участках дна озёр со средники глубинами 5+7 м толщина обменного слся составляла в среднем 0,008м, а объемный вес был равен 100*25 кг/'А Скорость осадконакопления определялась с помощью осадкоуловителей и в среднем составила 0,002 1^год.

Для определения параметров сорбции и миграции долгоживущих радионуклидов в донных отложениях были выполнены модельные радиоизс-топные эксперименты на образцах донного грунта озёр. В качестве метки использовались иаргааец-54 и стронций-85. В результате экспериментов для указанных радионуклидов были найдены коэффициенты распределения и эффективные коэффициенты диффузии.

Глава 5 " Верификация модели миграции радионуклидов и примеры ее использования для прогноза радиоактивного загрязнения водоёмов" посЕлщена проверка трехкамерноЯ модели шграциа радионуклидов в

реальных водоёмах, расположенных в зоне воздействия АЗС. На примере расчёта содержания долгожкьущих радионуклидов в воде и донных отложениях Киевского водохранилища, а также озёр Песьво и Удоыдя., обоснована возможность использования модели в цедях прогноза радиоактивного загрязнения водоёмоЕ как при нормальной работе АЭС, так к в аварийных ситуациях.

3 параграфе 5.1 выполнена проверка модели путём сопоставления расчётных и измеренных концентраций цезия-137 е воде и донных отложениях Киевского водохранилища в летне-осенний период 1566 года.

Главную роль в загрязнении. Киевского водохранилища цезьем-137 в зтот период сыграли атмосферные выпадения радиоактивных аэрозолей^ наблюдавшиеся в течение перькх дне": поме аварии на ЧАЭС. Это обусловило достаточно равномерное распределение радионуклидов в водной массе водоёма, что позволило использовать предлагаемую трёхкамерную модель. При оценке источника поступления цезия-137 с атмосферными выпадениями предполагалось, что средняя плотность выпадений этого радионуклида на акваторию Киевского водохранилища с учётом устьевых участков реки Припять составила 4 Ки/к;.^. Хроническое загрязнение Киевского водохранилища цезнеы-137 в рассматриваемый период времени, в основном, было обусловлено выносом радионуклида с речным стоком, йсточнег хронического загрязнения водохранилища оценивался по.среднемесячному стоку цезия-137 реками Припять и Днепр.

Отлгчие расчётных и измеренных концентраций цезия-137 в воде Киевского водохранилища.не превысило 10%, в обменном слое донных отложений - 20$, а в эффективном слое составило 30^.

В параграфе 5.2 выполнен прогноз накопления маргакца-54 и трития в воде и донных отложениях озёр Песьво и Удомля. Полученные результаты расчёта использовались для сравнения с данными измерений в целях проверки модели при нормальной эксплуатации АЭС. При расче-

тах предполагалось, что неточная поступления рассматриваемых радионуклидов в озёра при нормальной работе Калининской АЗС можно условно считать стационарным и определять модность сброса по формуле

R^p-к, СП)

где Р - нормализованный сброс масганца-54 и трития, Ки/ЕВт(эл}гед;

к - коэффициент использования установленной мощности реактора, равный 0,6.

Отличие расчётных концентраций марганца-54 а трития в годе ■л денных отложениях озёр Песввс и Удогля не превышало 10 % от измеренных концентраций этих радионуклидов. Были выполнены опенка максимального накопления марганца-54 и трития в озёрах при работе четырёх блоков EB3P-I0CQ. Расчёты показала, что концентрация марган-ца-54 в воде не превысит значенийI4+61С"^ Ки/л, а концентрация трития будет приближаться к величине 1,8»Ки/л. Полученные значения концентраций значительно ниже дКц по НРБ 78/37.

В параграфе 5.3 рассмотрен првмзр использования модели миграции радионуклидов для прогноза уровней возможного загрязнения воды и донных отложений озёр Песвво и Удсыля стронцием-90 при гипотетической аварии на Калининской А2С. В прогнозе использовались параметры сорбции, полученные в радиоизстопных экспериментах на натурном материале с использованием строкцая-£5.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

I. Разработан метод прогноза радиоактивного загрязнения водоёмов. Б основу расчётной схемы прогноза положена трёхкамерная модель миграции радионуклидов в водоёме, в которой донные отложения представлены последовательно соединёнными камерами верхи его обменного а подстилающего слоя. Такач структура модели позволяет

наиболее полно учесть основные процессы гаграции и перераспределения радионуклидов между водой и донными отложениями в неглубоких, хорошо перемешиваемых водоёмах, находящихся в зоне влияния АУС. В качестве источника поступления радиоактивных Ееществ в водоём модель рассматривает комбинацию разового и хронического поступлений активности, что позволяет рассматривать встречающиеся на.практике случаи загрязнения водоёмов, как при нормальной работе АЭС, так и в аварийных ситуациях.

2. Решение системы дифференциальных уравнений найдено в форме аналитического выражения, что позволяет получить ясную физическую интерпретацию результатов расчёта и даёт возможность использовать промежуточные де нные.

3. Определены основные закономерности образования обменного слоя и предложены расчётные соотношения, которые связывают толщину верхнего' обменного слоя донных отложений с гидрометеорологическими условиями на водоёме. Соотношения позволяют достаточно просто оценивать вторичное радиоактивное загрязнение водной массы, связанное с взмучиванием загрязнённых донных осадков при птормоЕых условиях на водоёме.

4. НайдеЕы зависимости, позволяющие для различных радионуклидов рассчита.ь толщину аффективного слоя донных отложений, определить коэффициенты масссобмена и другие параметры модели, характе ризующие интенсивность процессов переноса радионуклидов и источник поступления активности- в водоём. Цриведены численные оценки наиболее вероятных параметров модели в реальных водоёмах, что позволяет её использовать на стадии предварительных прогнозов.

5. Построена алгоритмическая программа LAKE -3, которая позволяет с учётом применения 3Ш определять вид формул аналитического решения, расчитывать средние уровни радиоактивного загрязнения

воды а донных отложений водоёыл, а также оценивать максимальное вторичное загрязнение водной массы цри полном взмучивании обменного слоя донных отложений. .Программа написана на языке Бейсик.

6. Сконструированы фильтровальная установка, вакуумный: и керновый пробоотборники, позволяющие отбирать а анализировать пробы воды, обменного и эффективного слоя донных отложений на водоёмах с различной степенью радиоактивного загрязнения. Рассмотрзны методы использования этих приборов для определения концентрации радионуклидов в воде и донных отложениях, а также для нахождения параметров модели в исследуемых водоёмах.

7. Проведены натурные а экспериментальные исследования на Киевском водохранилище после аварии на ЧАЗС. Измерены уровни содержания гамма-излучающах нуклидов в воде и донных отложениях водохранилища в летне-осенний период 1965 года а найдены параметры модели миграции, определяющие механизмы переноса цезая-137. Полученные результаты использоганы для верификации модели миграции радионуклидов. Сравнение результатов расчёта с данными измерении показало, что максимальное отличие расчётных концентраций цезия-137 в воде Киевского, водохранилища от средних 'измеренакне превышало 10$, а в донных.отложениях 20+30?. Достаточно: хорошее совпадение расчётных концентраций цезия-137 с результатами измерения доказывает возможность использования разработанной модели для прогнозирования уровней радиоактивного загрязнения водоёмов при авариях

на АЗС.

8. Выполнена экспериментальная оценка вторичного загрязнения водной массы Киевского водохранилища с помощью вакуумного пробоотборника. Было показано, что при неблагоприятных гидрометеоуслоЕяях может всучиваться 100+200 г/!<г загрязнённых радиоактивными земствами тонкодисперснкх накосов. Расчёты показали, что в осеней

период 15Б5 года дозовад нагрузка для населения, определяемая суммой ьсех радионуклидов,в предположении, что ьода Киевского водохранилища' с учетом вторичного загрязнения будет использована для питья без какой-либо предварительной очистки,не превысит 25£ от допустимого предела дозы,

9. Проведены натурные исследования на озёрах Иесьво и Удомля -охладителях Калининской АсС. В условиях нормальной эксплуатации АЗС измерены концентрации радионуклидов в воде и донных отложениях озёр. Определены основные характеристики верхнего обменного слоя донных отложений, найдена скорость осадконакопления и ряд других параметров модели.

10. Выполнены модельные радиоизотопные эксперименты с целью определения характера сорбции а нахождения коэффициентов распределения ыарганца-54 и стронция-35 на образцах донного грунта озёр Песьво и Удомля. Экспериментально найдены эффективные коэффициенты диффузии карганца-54 в различных типах донных отложений. Результаты натурных и экспериментальных исследований использовались для верификации модели на примере прогноза накопления марганца-54 и трития в озёрах Песьво и Удомля при нормальной эксплуатации'АЭС. Сравнение результатов расчёта'с данными измерений показало, что максимальное различие концентраций марганца-54 и трития в воде и донных отложениях озер не превысило 10£.

11. Выполнен прогноз максимального накопления марганца-54 и трития в воде озёр Песьво и Удомля при условии нормальней эксплуатации всех четырёх блоков ЕЗЭР-1С00 Калининской АЭС. Отмечено, что максимальные концентрации .указанных радионуклидов будут находиться на уровне значительно более низких, чем ДК^. Рассмотрен пример использования модели ипграпзиГрадионуклпдов для прогноза уровней радиоактивного загрязнения воды п донных отложений озёр Песьво и Удомля стрЬнпием-90 при гипотетической аварги на Калининской АоС.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Носов A.B. Оценка толщины обменного слоя докнкх отложений в замкнутых а слабопроточных водоёмах. - Метеорология и гидрология, IS89, И 10, C.IC8-II0.

2. Носов A.B., Сухоручкин А.К., Писарев В.В. Баланс радиоактивности в водоёме-охладителе АЗС с учётом седиментации и диффузии нуклидов в донных отложениях. - Труды ИиГ, 1986, еш.66, с.91-95.

3. Носов A.B., шсарев В.В., Сухоручкин А.К. Оценка блеяния внешней и продольной диффузии на динамику сорбции загрязняющего вещества донными отложениями водоёма. В сб.: Прогнозирование а регулирование качества воды водоёмов, Тезисы доклада, Таллин, 1985, с.139-141.

4. Боэднховач 0.3., Канивец В.В., Носов A.B. Гидролитоднна-мическае аспекты радиационного мониторинга водохраналащ днепровского каскада. В сб.: Изотопы в гидросфере. Тезисы доклада. - М., ИБП АН СССР, 1989, с.100-102.

5. Расчёт концентраций изотопов стронция в водоёме-охладителе АЗС с учётом его заиления /Аверков В.А., Носов A.B., ПисареЕ Б.В., Сухоручкин А.К. - 3 кн.: Радиоэкологические исследования в зоне АЗС. Свердловск, УрО АН СССР, 1983, с.53-57.

G. Изучение загрязнения Киевского водохранилища за период с 198с-19о7 г.г. / Писарев В.Б., Носов A.B., Кузнецова Б.Li. я Др. В кн.: Чернобыль £8, т.5, ч.2, LI., Экергоатомиздат, I9cS, с. 159-175.

7. Сухоручкин А.К., Писарев В.В., Носов A.B. и др.' Открытый всаоём-схладатель. Авторское свидетельство .'i I420III. Открытия изобретения, Iii¿8, й 32, с.IIS.

8. Аппелъ М.В., Носов A.B., Бреслав ü.M., Черногаева Г.М. Анализ распределения загрязнения по длине реки ниже сброса сточных вод. - Труды ЙПГ, 1982, вып.44, с.27-31.

9. Оценка динамики накопления радиоактивных нуклидов в водоёмах-охладителях на примере действующей атомной электростанции / Писарев В.В., Дельвин H.H., Носов A.B. и др. В кн.: Радиационная безопасность населения и защита окружающей среды в связи с эксплуатацией АЭС. - Ы., 1981, с.71-72.

10. Нормирование термальных сбросов и разработка модели накопления радиоактивных веществ, поступающих в водоёмы-охладители АЭС. Отчёт по НИР/ИНГ; Ä ГР8Ю1&567; Инв.1Ю02131В, М., 1982 , 95с.

StЖ. 7- f£fd tficy. J00