Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка методов гидрогеологического анализа последствий тяжелых аварий на атомных электростанциях (применительно к проектируемым объектам)

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов гидрогеологического анализа последствий тяжелых аварий на атомных электростанциях (применительно к проектируемым объектам)"

РГб од

1 О КОН

На правах рукописи

ПЕРЕВЕРЗЕВА Светлана Анатольевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПОСЛЕДСТВИЙ ТЯЖЕЛЫХ АВАРИЙ НА

АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ (применительно к проектируемым объектам)

Специальность: 04.00.06-Гидрогеология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук:

С.-Петербург 1996г.

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии С.Петербургского горного института.

Научный руководитель:

Доктор геолого-минералогических наук, гл.научный сотрудник Румынии В.Г.

Официальные оппоненты:

Доктор геолого-минералогических паук,профессор Басков Евгений Алексеевич.

Кандидат геолого-минералогических наук Архангельский Игорь Всеволодович.

Ведущая организация:

Научно Исследовательский Технологический Институт (г.Сосповын Бор).

* /» , - /Г

Защита состоится "ЛЬ " _199 6 г. б/3_час.

на заседании диссертационного совета Д.063.15.07 в С.Петербургском государсственном горном институте им Г.В.Плеханова по адресу 199026,С.-Петербург, В.О., 21 лннияд.2, ауд._

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГГИ. Автореферат разослан ." (■¿¿¿^^ 199 г.

Ученый секретарь, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Многие современные экологические проблемы обусловлены строительством и эксплуатацией атомных электростанций, сложным образом воздействующих на окружающую среду. Хотя основные факторы такого рода воздействия известны, не существует надежной оценки их экологических последствий. При этом, несмотря на ужесточение требований к эксплуатации АЭС, нельзя полностью исключить вероятность возникновения на АЭС аварийных ситуаций, связанных с неконтролируемыми выбросами радиоактивных веществ в окружающую среду. Поэтому вполне обоснованными представляются существующие требования к прогнозным оценкам возможных последствий аварий на такого рода объектах. В частности, в рамках единой научно-технической политики, основные идеи которой отражены в ГНТП "Безопасность", на первых этапах анализа риска эксплуатации АЭС главное внимание должно быть уделено наиболее тяжелым гипотетическим авариям с оценкой их вероятности и масштабов последствий. В то же время в нормативных документах (например, в требованиях, разработанных МАГАТЭ к гидрогеологическим частям соответствующих проектов) отсутствуют сколько-нибудь конкретные рекомендации по методическим аспектам подобных оценок.

Основные задачи исследовании сводятся к разработке научно-методических основ оценки и прогнозирования влияния атомных энергетических комплексов на радионуклидное загрязнение подземных вод. Для такого рода прогнозирования необходимо проведение исследований по направлениям, связанным с теоретическим и методическим обоснованием собственно миграционных моделей, а именно:

1) анализ отдельных механизмов и физико-химических процессов, контролирующих перенос радионуклидов;

2) анализ концептуальных моделей переноса радионуклидов в подземных водах с учетом характерных типов (гомогенные и гетерогенные) миграционных сред; построение ситуационных моделей, увязанных с конкретными типами гидрогеологических условий и сценариями запроеюгных аварий.

Построение прогнозных моделей применительно к конкретным площадкам строительства АЭС требует детального отражения в них условий геофильтрации, для чего могут эффективно использоваться уже хорошо разработанные методы численного моделирования фильтрационных процессов. Однако серьезной проверки заслуживают существующие алгоритмы решения задач радионуклид« ого транспорта. Существенно также, что прогнозирование миграции радионуклидов требует информационного обеспечения расчетных

моделей, что предполагает: обобщение полевого материала, постановку и интерпретацию дополнительных экспериментальных работ специального характера, лабораторное изучение на образцах параметров перенося конкретных радионуклидов.

Тем, не менее информация о всех параметрах, контролирующих массопереное и прогнозных условиях, не может быть объективно получена на иервых стадиях гидрогеологического обоснования проектов АЭС. Этот недостатокт может быть частично" компенсирован посредством диапазонных модельных оценок, дополнительных анализом параметрической чувствительности исследуемых процессов.

Научная новизна работы

1. Разработаны принципы гидрогеологической схематизации условий воздействия на подземные воды радиоактивных выбросов (истечений) при тяжелых запроектных авариях на АЭС. Дан анализ основных концептуальных моделей радиоактивного транспорта, позволяющих: а) оценить демпфирирующую роль пористых блоков в трещиновато-пористой среде при их диффузионном насыщении компонентами, подверженными распаду, б) учесть влияние коллоидов как транспортеров радионуклидов, в) оценить комбинированное влияние распада и поперечной гпдроднепереш/;

2. Разработана методика гидрогеологической оценки загрязнения подземных вод в результате аварий на атомных станциях в рамках типовых сценариев. Даны прогнозные оценки последствий тяжелых запроектных аварий на двух проектируемых в России АЭС в увязке с конкретными гидрогеологическими условиями.

Результаты . исследований базируются на фактическом материале, литературных данных и фондовых материалах о геологических и гидрогеологических условиях районов исследований. Достоверность и доказательность научно-методических положений н выводов обеспечивается комплексным подходом в решении поставленных задач, сочетанием натурных и лабораторных данных, а также аналитическими, численно-аналитическими и численными методами решения поставленных задач.

Пра»стическая значимость работы. Результаты исследований реализованы при подготовке научно-исследовательских отчетов СПбГГИ, связанных с изучением влияния атомных электростанций на подземную геосферу. Разработанные методики могут быть использованы при обосновании гидрогеологических условии на стадии проектирования площадок для размещения АЭС.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийской конференции по подземным водам Сибири и Дальнего Востока в 1993г, на Всероссийской конференции в Иркутске 1995г.," на научных семинарах кафедры гидрогеологии СПбГГИ в 199 Г-1995гг.

Основные положения диссертации отражены б шести опубликованных работах.

Автор .выражает признательность своему научному руководителю доктору геолого-минералогическнх наук В.Г. Румынину за постоянную помощь на всем протяжении работы над диссертацией. Автор искренне благодарит за ценные советы и содействие в подготовке работы кандидата геолого-минералогических наук Коносавского П.К., а также сотрудников и преподавателей кафедры гидрогеологии, за полезные дискуссии при обсуждешш результатов диссертации.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Гидрогеоэкологические прогнозы воздействия АЭС на подземные воды должны быть концептуально и параметрически увязаны со сценариями тяжелых запроектных аварий на атомных реа1сторах. Анализ этих аварии приводит 1С необходимости рассмотрения в соответствующих гидрогеологических моделях двух главных типов источников радиоактивного загрязнения: 1) площадного, обусловленного осаждением атмосферных выбросов (типа "Чернобыльского") на земной поверхности; 2) локального, связанного с неконтролируемым истечением теплоносителя из поврежденного реакторного отделения АЭС. Интенсивность этих источников и перечень радионуклидов, представляющих главную опасность для подземной гидросферы, могут быть рассчитаны для различных типов атомных реакторов. Тем самым снимается неопределенность существующих требований (в частности МАГАТЭ) к гндрогеоэкологнческой части риск-анализа проектов АЭС.

Для оценки миграции радионуклидов с грунтовыми водами в районе размещения АС рассматриваются воздействия, обусловленные гипотетическими радиационными авариями на блоке НП-500 с реактором В-407 (Дальневосточная АЭС) и на энергоблоке с реактором типа ВВЭР-1000 (Кольская АЭС). При этом анализ ограничивается оценкой гидрогеоэкологических последствий наиболее тяжелых аварий, относящихся к 5 и б уровням шкалы МАГАТЭ. В соответствующей работе принимали участие специалисты Кольского научного центра РАН под руководством В.А. Наумова и института АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ под руководством М.А. Карасевой.

Так, радиационное воздействие на окружающую среду для данного класса аварий на ранней фазе (до 10 суток) может быть полностью определено внешним излучением аварийного шлейфа и содержанием в нем радиоактивных ионов. В этом случае необходим прогноз радиоактивного загрязнения водоносных горизонтов за счет

площадной инфильтрации радиоактивных продуктов с поверхности-тшс назьшаемый "Чернобыльский тип" загрязнения подземных вод.

Другим, не менее серьезным случаем такого рода аварий, может быть протечка теплоносителя из поврежденного внутреннего контура, не обнаруженная в течении определенного времени, которая служит источником прямого заражения грунтовых вод , сосредоточенным на небольшой площади.

В таблице 1 обобщены данные, представляющие первостепенный интерес с позиций последующих оценок воздействия аварий на АЭС па подземные воды. Они определяют характер граничных условий.

таблица!.

Модельные параметры радиоактивных выбросов при тяжелых запроектных авариях на АЭС.

ЗРадионуклиш «цедарий 7 Ки/км2 Второй сценарий 111Ш11 ШШШш

1ШШШ11 11111 11111 1®1

ШШшШШ 100 2 10 3 1.5*10"8

10 0.2 10 3 4.1*10-1«

Со- концентрация радионуклидов в конденсате, ()0- интенсивность возможной утечки, I -период этой утечки, Ру плотность загрязнения поверхности при осаждении радионуклидов из атмосферного выброса.

2. Характер воздействия на подземные воды при авариях па

АЭС предполагает пересмотр стандартных требований к методам и

точности решения краевых задач миграции. Соответствующие физико-

математические модели должны: а) строиться на балансовых принципах, что подразумевает аддитивное включение инфильтрации в общее уравнение массопереноса, решение которого ищется в рамках

взаимодополняющих плановых и профильных расчетных схем, а также учитывать неравномерность перераспределения вещества по площади распространения водоносного горизонта, обусловленного вариациями

мощности и свойств зоны аэрации - для первого аварийного сценария; б) позволять описывать с повышенной точностью высокоградиентные

концентрационные фронта, осложненные пространственной гидродисперсией и внутренней гетерогенностью водоносных пород.

-72.1. Расчетная модель для первого аварийного сценария.

Основной интерес представляют оценки влияния радиоактивного заражения поверхности на качество грунтовых вод, питание которых происходит главным образом за счет атмосферных осадков. Активное участие инфильтрационной составляющей в формировании расхода фильтрационного потока предполагает необходимость тесной увязки миграционной и геофильтрационион частей задачи. Региональный масштаб ее рассмотрения требует отражения нерегулярного характера поступления радионуклидов па поверхность грунтовых вод, что связано с изменчивостью мощности и фильтрационных свойств покровных отложений, слагающих зону аэрации, а также с различным уровнем загрязнения поверхности на различных участках.

В основу соответствующих расчетных зависимостей положено следующее балансовое уравнение для фиксированной ленты тока постоянной ширины (Румынии, Коносавский, Переверзева,1993):

ш—+ -^(дС) + тпЯгС = д (ОР., (О

где q = q0 +ех- текущий расход фильтрационного потока расход потока в начальном сечении, е-величина инфильтрации), Ре-интенсивность загрязнения поверхности водоносного горизонта (г/м2), ^/^-"Дельта-функция", характеризующая • мгновенный характер загрязнения подземных вод.

Решение уравнения (1) для случая, когда поступление вещества происходит на отрезке XI < х < хг; имеет вид:

[ру^'У го<г<го ^ (2)

С =

О г < м г >

где [? = Л 111(1+ £(Ь йХы)). е <$

Далее, с использованием принципа суперпозиции решение (2) обобщается на случай переменной (в пространстве- по направлению координаты *) инфильтрации е=е(х), что может ассоциироваться, например, с изменчивостью фильтрационных свойств покровных отложений. Для этого целесообразно воспользоваться "кусочно-однородным" представлением функций е (х) и 0,(х). Тогда искомое ("ненулевое") решение

с = (3)

будет иметь место в области <1 <1° , где суммирование от

j=i до И}", причем j отвечает номеру блока в пределах участка загрязнения подземных вод (при 1=0, т.е. в интервале [Х1°, хг0]), который обеспечивает привнос вещества в расчетное сечение в момент времени I = (11« < <12°),

ЬУ- конечный номер интервала суммирования, отвечающий сечению х=Ь.

Наконец, использование принципа суперпозиции позволяет учесть в решении (2) разновременное поступление вещества с различной интенсивностью в водоносный горизонт на различных участках пласта (Румынии, Коносавский, Персверзева,1993), а также на случай слоистой системы (Дубинчук, Поляков, Дубинчук, 1995).

Полученная таким образом квазиодномерная модель, несмотря на простые исходные предпосылки, описывает развитие во времени достаточно сложных концентрационных полей, обусловленных взаимным наложением возмущений при проникновении в пласт иифильтрациоиных вод на различных участках пласта. Главное же, посредством несложных балансовых процедур эта модель увязывает процессы переноса радиоактивных веществ в зоне аэрации и в водоносном горизонте.

2.2. АнаЛнз некоторых концептуальных моделей миграции радионуклидов

Диапазон используемых частных моделей в настоящее время весьма широк, однако в изучении процессов, характеризующих перепое радионуклидов в подземных водах существует целый ряд специфических моментов. Здесь приведен анализ краевых задач, ближе всего отвечающих условиям воздействия радиоактивного загрязнения на подземные воды при авариях на АЭС (второй сценарий). В гомогенных средах миграция описывается в рамках моделей микродисперсии: предполагается, что все механизмы переноса идут па одном микроуровне, отвечающем гомогенным свойствам пористой пли трещиноватой среды (Шестаков, 1973,1979; Мироненко, Румынии 1986).

Для рассматриваемого класса задач миграции, осложнешшон радиоактивным распадом, характерным является граничное условие: С (х = 0,?) = С0е~Лр', свидетельствующее о протекании этого процесса в объеме граничного (инъецируемого) раствора (источник загрязнения является "затухающим": в нем ие накапливаются радионуклиды, а происходит постепенное падение их концентраций по экспоненциальному закону).

Наибольший интерес представляют модели пространственной лшкродиспераш. Соответствующий источник загрязнения формируется

при аварийном истечении теплоносителя в пределах реакторного отделения (второй из упомянутых выше сценариев).

Так, решение для точечного источника при условии импульсного сигнала на нем, имеет вид (Bear, 1972; Dominiko, 1987):

c(XVt)____c\pf лt- (*~vt)1 -¿—L-v (4)

CiX'y'l)~%nJxVD&P^^ 4DJ ADyt 4Dzl

Dx и Dy,Dz- компаненты продольной ( в направлении х скорости фильтрации v) и поперечной гидродисперсии, «-пористость (трещиноватость), М- масса высвободившегося в момент времени t=0 вещества.

При сочетании нескольких факторов рассеяния вклад радиоактивного распада может быть различным н будет, очевидно, зависеть от периода полураспада радионуклида, вида дисперсии и скорости потока подземных вод. При достаточно большой величине периода полураспада некоторые радиоактивные элементы (такие кале Ат-241, Th-232 и др.) могут рассматриваться как стабильные индикаторы, т.е эффеюг распада за время миграции пренебрежимо мал. Комбинированное влияние распада и дисперсии при миграции относительно короткоживущих элементов (таких как H3,Sr-90,Cs-137) на характер ореолов загрязнения требует более внимательного анализа. В точках наблюдения, расположенных вблизи источника, радиоактивный распад как фактор уменьшения концентрации не имеет существенного влияния, тогда как поперечная дисперсия уменьшает концентрацию в несколько раз. По мере развития миграционного процесса, наоборот, более значимым может оказаться распад.

Анализ чувствительности процесса относительно двух рассматриваемых параметров Хр и D' (случай Dy«Dz=D') показал, что чувствительность к распаду начинает превышать соответствующий показатель для поперечной дисперсивностн при t >1/Лр.

При анализе и обосновании моделей переноса радионуклидов в комплексах трещиновато-пористых пород предполагается, что показателями интенсивности переноса в системе трещин будут скорость фильтрации v и активная трещиноватость п, для пористой матрицы- коэффициент молекулярной диффузии DM в блоках, нх пористость по, и осредненные геометрические характеристики.

Математическое описание миграции в квазиоднородиом трещиновато-пористом пласте основывается на уравнении баланса вещества в трещине:

д С дС ^ д 2С , ^ Л ,,ч

П— +fl> ^D-^+nX.C = О (5)

где со, - интенсивность массообмена между трещинами и блоками, D=DX.

Традиционно описание процесса миграции в комплексах трещиновато-пористых пород связывается с тремя основными расчетными схемами - неограниченной емкости, сосредоточенной емкости и предельной схемой макродисперсин, сводящей гетерогенную среду к квазигомогенной .

Схема неограниченной емкости предполагает, что в начальные моменты времени пористые блоки обладают неограниченной емкостью. В этом случае интенсивность массообмена описывается следующим выражением (Румынии, Мироненко, Коносавскнй, Переверзева 1995): _

= VITtVXx^V^M -I} - е"v 1 '(б)

где /i^-параметр массообмена (ÄM=Sb2DMn0), С - текущая концентрация вещества в трещинах.

При постоянных начальном и граничном условиях решение одномерного уравнения (5) при D=0 имеет вид (Tang, 1981):

С = \е""\е VT) + е" VT)]• <7)

где . 7 /и»

В точках наблюдения, расположенных вблизи источника загрязнения, концентрация уменьшается за счет обмена между трещинами и блоками, причем процесс распада долгоживущнх элементов практически не оказывает влияния на изменение концентраций в начальные моменты времени. Однако распад короткоживущих радионуклидов способствует увеличению показателя интенсивности их поглощения блоками. Это связано с распадом радионуклидов в пористой матрице и как следствие-сохранением высоких градиентов концентраций на границе трещина-блок.

За фронтом основного переноса, после наступления квазистационарного режима массообмен между трещинами и блоками продолжает выступать как сдерживающий перенос фактор, - за счет продолжающегося распада радиоактивных элементов в блоках, поддерживающего высокие градиенты концентраций на границе "трещина-блок". Поэтому чувствительность к изменению показателя распада остается значительной. Решение (7) имеет стационарную асимптотику: _

с = ехр[- Xf ¿„(1 + Х„ IÄJI п или с = ехр(-7/ ч- Яр10) (8)

Таким образом, как и в гомогенных породах, процесс распада приводит к формированию квазистационарных ореолов загрязнения.

По сравнению с гомогенными пластами переходная зона сокращается в = l + f п раз.

Решение для импульсного локального источника в гетерогенном пласте может строиться на основе зависимости: дС

С - -—с! г > где С„- решение задачи с постояннон

дг

концентрацией на входной границе. С учетом этого для схемы неограниченной емкости было получено решение:

1=г— _

с_= 4» "«(/-1)'« (9)

где Я = Лм10 / П2 ,Т = I / 10.

Схема сосредоточенной емкости применима в более поздние моменты времени, когда массовым потоком охватывается значительный объем порового пространства блоков, а режим переноса в них близок к квазистационарному (Лукиер, Шестаков, 1986). Исходные уравнения массообмена, отражающие соотношение между количеством вещества усваемого блоками в единице объема пласта имеют вид:

дСл

со. = п,

(10)

а АС - Сб) - 1С,

- и ~ ^ б) ~ "-р^ в

п V

где а„- объемный коэффициент массообмена (а =—1ср -

" «<Лр

усредненная длина переноса по блокам).

Решение одномерной задачи массоперемоса в трещиновато-пористой среде, отвечающее предпосылке сосредоточенной емкости, при постоянном начальном условии (0->0) имеет вид:

С = (11)

гДе /(77,г) = 1 - е~' ]е'!1а(2-УгГ)" известная табулированная

о

функция (Рошаль, Шестаков, 1969).

Из структуры полученных решений следует, что, для описания распада вещества в гетерогенном трещиновато-пористом пласте, в котором массообмен между трещинами и блоками носит регулярный характер, можно использовать известные базовые решения для консервативного компонента, где безразмерная переменная времени т=ам(Ыд) заменяется на т=г'=( а^Л^^^о). Само значение концентрационной функции умножается на величину ехр(-^0) т.е

С| я>о = С|я=о ехр(-Яр10).

Предел применимости схемы неограниченной емкости контролируется степенью насыщения блоков диффундирующим в них веществом. Деструкция вещества, может существенно увеличить временной диапазон применимости схемы неограниченной емкости. Соответствующее выражение для временного критерия может быть получено из решения диффузионной задачи в блоке. Верхний предел применимости расчетной схемы неограниченной емкости:

> б / - » (12)

/ Д .

Уяр»

е

"о

Выполнение данного неравенства свидетельствует о том, что вещество, сколь бы долго процесс не протекал, никогда не насытит блок до такой степени, чтобы закон массообмена между трещинами и блоками (с которым мы отожествляем расчетную схему неограниченной емкости), нарушится. Анализ показывает, что перенос хорошо сорбируемых радионуклидов (понгьф) подобных радиоактивному цезию и стронцию, в трещиновато-пористых коллекторах, в том числе с высокими массообменными свойствами, заведомо может рассматриваться в рамках расчетной схемы неограниченной емкости для любых временных диапазонов.

2.3. Об эффективности численных методов решения "высокоградиентных" задач массопереноса.

В последнее время все большее распространение получают математические (численные) методы, являющиеся универсальным и эффективным инструментом решения прогнозных задач миграции. При этом используются различные модификации метода конечных разностей, а также метод характеристик.

В настоящей работе эффективность этих методов оценивалась в процессе решения тестовой задачи, имеющей прямое отношение ко второму сценарию аварии на АЭС. Главной идеей такого рода расчетов являлась оценка возможностей исследования так называемых высокоградиентных миграционных задач: их постановка обусловлена высокими различиями (до 6-10 порядков) концентраций радионуклидов в источнике загрязнения и ДКБ подземных вод. Это значит, что модельные оценки должны быть достаточно надежными, чтобы предсказывать концентрационные поля, в пределах которых С/С„,„ часто ниже Ю-6.

Математическая формализация данного аварийного процесса может основываться на предпосылке "мгновенного" проникновения радионуклидов в подземные воды, т.к. временной днапозон прогнозных оценок миграции во много раз (на несколько порядков) превосходит характерное время формирования самого "пятпа" загрязнения в водоносном горизонте.

Точность модемных расчетов на программе MT3D (Zheng, 1990) контролировалась сравнением расчетных кривых C(t) в точках наблюдения Р(х,у) с аналитическим решением:

м

С= J J -.-ехр

(n(x-&-vt)2 п(у-0

4nDxt 4 Dyt

WS

где М-масса на единицу площади пласта (в плане) в пределах источника, т- мощность пласта.

Результаты исследований показали, что погрешности модель пых расчетов методом характеристик для критериального числа Пекле 50<Ре<100 в оценках времени прихода максимальных концентраций (г тах) не превышает 1-6 %. С уменьшением Ре до 25- погрешность увеличивается до 18-20%. Погрешность расчетов пиковых концентраций (С при 50<Ре<100 чаще всего не превышал 6% , причем они возрастают по мере отклонения точек наблюдения от центральной оси (у=0). На переднем фронте вытеснения при перепадах концентраций до 5 порядков погрешность составила-30% , до 10 порядков - 50%, свыше 10 порядков - более 70%. Увеличение начального числа частиц на блок (от 4 до 100) ненамного улучшает результаты в значениях пиковых концентраций.

2.4. Об учете сорбции радионуклидов на минеральной фазе и коллоидных частицах.

В работе проанализированы и обобщены результаты лабораторных и полевых исследований, нашедших отражение в публикациях отечественных и зарубежных авторов. Основное внимание уделено закономерностям сорбции в комплексах трещиноватых пород. При этом полагалось, что линейная сорбция на стенках трещин может быть охарактеризована параметром распределения К» фазмерность-см), представляющим собой отношение поверхностной плотности адсорбированного вещества и концентрации вещества в растворе. Минимальные значения параметра Ка для таких радионуклидов, как Сз-137 и Бг-90, составляют доли-первые см; максимальные- десятки и сотни см. Поэтому можно говорить о заметном влиянии сорбции радионуклидов на стенках трещин, что, в частности, вытекает из оценки так называемого параметра "сорбционной задержки":

R = 1 +

к , (14)

п

где - удельная поверхность блоков . Как правило, Л»/. В последние годы активно дискутируется проблема транспорта радионуклидов в подземных водах коллоидами. В настоящей работе основное внимание уделено так называемой сорбционной модели

формирования радиоколлоидов. Показано, что в случае миграции растворов в гомогенных породах данный процесс может быть включен в расчетную модель посредством корректировки параметра К согласно выражению:

Л = (15)

где К<1- коэффициент сорбционного распределения радионуклида на минеральной фазе, свойственной коллоидным частицам, Сг-концентрация коллоидов в растворе, Р(»1)- некоторый коэффициент "усиления", учитывающий повышенную активность тонкодисперсной . фазы. Отсюда видно, что формирование радиоколлоидов становится значимым процессом при ЬК^С2 >0.3-0.5, т.е. при характерных Кл и Б (УПкз, Ва5Ып8к1,1991) коллоидный перенос играет заметную роль в транспорте радионуклидов при содержании коллоидных частиц в подземных водах, превышающем 10 мг/л.

При миграции "двухфазных" растворов в гетерогенных трещиновато-пористых средах происходит нарушение исходного физико-химического равновесия за счет диффузии ионных фори из трещин в пористую матрицу. Это приводит к потери части радионуклидов коллоидными частицами; образовавшиеся свободные радионуклиды интенсивно сорбируются поверхностями трещин. В работе показано, что в случае избыточной концентрации коллоидов в растворе (Сг»С1- наиболее практически важная ситуация) эффективными миграционными параметрами трещиновато-порпстоп среды являются:

пегП+К^,/(1+РКлС20),

ЪггММКЫ (16)

т.е присутствие в растворе коллоидов активизирует конвективный перенос по трещинам и способствует ослаблению массообменных процессов.

3. Моделирование гидрогеоэкологнческнх последствий аварий па АЭС должно базироваться на диапазонных оценках н анализе чувствительности, что позволяет повысить надежность прогнозов в условиях существующего несоответствия между принятыми масштабами изысканий под площадки АЭС и масштабами областей, на которые распространяются прогнозные оценки; параметрическое обоснование моделей предполагает проведение полевых опытных работ и мониторинга по специальным программам.

Практическая реализация рассмотренных выше теоретических н методических положений осуществлялась применительно к двум проектируемым АЭС- Кольской и Дальневосточной, на площадках размещения которых были выполнены стандартные

гидрогеологические изыскания, а также специальные опытные (полевые и лабораторные) работы, направленные на изучение миграционных параметров н детализацию геофильтрационного строения водоносных толщ.

Промнлощадка 3-сй очереди Кольской АЭС расположена в предгорье Хибинского массива на побережье оз.Имандра. В геологическом строении площадки выделяются два комплекса пород-моренные отложения четвертичного возраста и коренные кристаллические породы архейского возраста (гнейсы и гранитогнейсы), Массив скальных пород разбит трещинами различного генезиса. Зона повышенной трещнноватости, связанная с трещинами выветривания, прослеживается до глубин 30-50м. Основным коллектором подземных вод являются трещиноватые-породы, расчетные коэффициенты фильтрации которых меняются от сотых долей м/сут до 1 м/сут., в зонах тектонических разломов - до 1520 м/сут.

Основным источником питания водоносного горизонта являются атмосферные осадки.

Территория пункта Амгуиь-2 (Дальневосточная АЭС) расположена в Солнечном районе Хабаровского края.

Территория сложена преимущественно терригенными осадочными породами, расчлененными на триасовые и юрские; в строении района принимают также участие меловые и четвертичные изверженные породы и рыхлые осадки кайнозоя.

В гидрогеологическом плане рассматриваемая территория относится к Куканскому гидрогеологическому массиву. Верхний его этаж (до глубин 150-200м), включающий зону активного водообмена, содержит порово-пластовые и трещинно-пластовые воды инфильтрационного происхождения, приуроченные к различным гидрогеологическим подразделениям: аллювиалыю-делювиальный водоносный горизонт, локальный аллювиальный и озерно-аялювиальный водоносный горизонт, юрский горизонт трещинно-пластовых вод, последний распространен практически повсеместно. Основные водоносные зоны связаны с верхней, наиболее выветрелой частью трещиноватого массива.

Сопоставление условий площадок Кольской и Дальневосточной АЭС показало, что наиболее неблагоприятные, условия с позиций возможного влияния АЭС характерны,для площадки Кольской АЭС. Это связано с расположением ее в непосредственной близости (в пределах 1км) от береговой линии - оз. , Имандра, куда происходит разгрузка подземных вод. Кроме того, основным коллектором подземных вод являются гранитогнейсы, где скорости движения воды весьма велики.

В отличие от Кольской АЭС, промплощадка Дальневосточной АЭС расположена на водоразделе, примерно в Зкм от реки, являющейся областью разгрузки подземного потока вод. Основные запасы подземных вод связаны с комплексом трещиновато-пористых пород (песчаники, алевролиты), т.е. их емкость по отношению к возможным загрязнителям определяется не только трещинной пустотностью, но и аккумулирующими возможностями пористых блоков. Сочетание таких условий, как гетерогенность среды и длинные пути миграции в'горизонтальном и вертикальном (через зону аэрации) направлениях, создают благоприятные условия для самоочищения подземных вод под воздействием сорбции и радиоактивного распада.

На площадке Кольской АЭС были выполнены два вида исследований с использованием индикаторов: а) запуски и прослеживание миграции радиоизотопов (инертного 1-131 и сорбируемого Су-757) в естественном потоке подземных вод; б) резистивиметрические наблюдения за изменением минерализации (под влиянием разбавления) в искусственно засоленных скважинах опытных кустов.

В одних экспериментах с радиоактивными элементами индикатор равномерно перемешивался по стволу скважины, в других оставался сосредоточенным в узком интервале вблизи точки разрушения ампулы. Во всех вариантах проводилось детальное прослеживание облака рассеяния индикатора в трещиноватом массиве. Обработка данных резистивиметрии позволила определить скорости фильтрации. Вероятный диапозон изменения трещиноватости массива п составляет 0.01-0.004.

Для оценки дисперсионных характеристик посредством запусков в естественном потоке был разработан специальный метод типовых кривых. Он основан на известном решении уравнения переноса для импульсного ввода индикатора в одномерном потоке. В целом, результаты обработки показали, что по наиболее представительным данным константа продольной гидродиспсрсии ¿у«1м. Чувствительность опытных данных к поперечной дисперсии невысока)! (<5у«0.1). На заключительном этапе экспериментов в водоносный пласт был запущен раствор Бг-90. Продолжительные наблюдения за радиоактивностью воды в близ расположенных наблюдательных скважинах не позволили зафиксировать даже следов данного изотопа, что может служить косвенным подтверждением высокой сорбируемости Бг-90.

Этот вывод подтверждается результатами лабораторных экспериментов. Основной целью лабораторных экспериментов являлась оценка параметров сорбции на твердых поверхностях гранито-гнейсов, имитирующих поверхности трещин массива. Образцы были приготовлены из керна скважины, пройденной под

проектируемым реактором АЭС. В опытах были использованы растворы солей Бг-90, Сз-137, Се144 . Обработка лабораторных результатов дала значения Ка-\.бсм, 1.1см, 0.8см.: минимальное значение отвечает изотопу Оз137, максимальное Се144, промежуточное положение занимает Бг-90.

Поверхностный характер сорбции был подтвержден радиофотометрическим исследованием образцов. Анализ этих результатов показал, что радиоактивные вещества внутрь образцов не проникают.

Прогноз возможного радиоактивного заражения по 3 очереди Кольской АЭС выполнялся на "врезке" фильтрационной модели, включающей в себя промплощадку и область концентрации миграционных потоков радионуклидов в подземных водах- между Кунчасткой губой и оз. Имандра. Миграционная задача решалась на базе программы МОС (Кол1коу апй ВгеёеЬоеП, 1983).

Одним из основных миграционных параметров среды является эффективная пористость (л3), определяемая сорбциоиным взаимодействием радионуклидов с минеральным скелетом горной породы. В модельных оценках принималось п,=п+Ап (где п-трещнноватость среды, Ап-ес дополнительная сорбциоиная емкость), Лп=Ка*36 (где Ка- коэффициент сорбцпоииого распределения , удельная поверхность блоков). По данным геолого-структурного анализа, 5,6=10-20м-1. Таким образом минимальное значение п, «0.1. Анализ результатов моделирования показывает, что скорости движения радионуклидов в пласте, относительно невелики. За счет конвективного переноса, фронту вытеснения потребовалось бы около 35-40 лег для того, чтобы пройти расстояние от реакторного отделения до уреза Кунчастской губы. Однако низкие значения констант радиоактивного распада не обеспечивают эффективного самоочищения подземных вод. Предельные величины активности радионуклидов в области разгрузки достигают значений многократно (до 4-5 порядков по Су-/37 и 2 порядков по Б г-90) превышающих предельно допустимые содержания.

В отличии от рассматриваемого выше, на Дальневосточной АЭС, процессом, контролирующим интенсивность загрязнения подземных вод, является диффузионный обмен между трещинами и пористыми блоками. Для изучения этого процесса были выполнены лабораторные эксперименты, объектом для которых послужили образцы пород ненарушенного сложения, отобранные на южной площадке проектируемой АЭС.

Полученные значения коэффициента Лм изменялись в диапазоне 2.2*10-7-2.1*10-6 м2/сут. Параллельно оценена пористость образцов: >¡„=0.07. Эти данные использовались для расчета вероятного диапазона изменения константы макродисперсии через величину удельной

поверхности блоков (Мироненко, Румынии, 1986), а также для оценки эффективной емкости (пористости) водоносной толщи.

.Моделирование миграции радионуклидов в подземных водах для первого и второго сценариев показывает, что, благодаря двойной пористости систрмы и радиоактивному распаду, уровень загрязнения подземных вод, на -этапах, отвечающих периодам "подтягивания" ореодрв к области разгрузки потока в реку, крайне низок : наблюдаемые "пиковые" значения концентрации Бг-90 менее 10-12 Кн/л, ,.а .Сх-/Д7-менее ,10-з Ки/л, что существенно ниже допустимых величин СДКБ).

Проведенные оценки отвечали случаю задания на модели осредненных значений фильтрационных параметров (установлены из решения обратных геофильтрационных задач) и весьма приближенных ( по аналогии с другими объектами) величин константы поперечной гидродисперсии. Поэтому главными задачами последующего анализа являлись : 1) оценка влияния зон фильтрационной неоднородности на структуру фильтрационного и массового потока; 2) оценка чувствительности модели к параметру поперечной гидродиспсрснн для планово-неоднородного пласта.

Поданным поверхностных электрозондирований выявлена зона, отличающаяся от окружающих пород повышенной трещиноватостыо. Так как детальные опытные данные по фильтрационным параметрам этой зоны отсутствуют, оценка ее потенциального влияния на структуру фильтрационного потока проводилась путем изменения параметра проницаемости (Кз) пород в этой зоне в пределах от 0.5 до 50 м/сут. Многовариантные оценки показали, что проницаемость этой зоны (К,) не может превышать 2м/сут, что примерно в 4 раза выше проницаемости (К0) окружающих пород. Данное значение было использовано для оценки предельно ожидаемого загрязнения подземных вод.

Моделирование показало, что несмотря на наличие зоны повышенной трещиноватости, процесс загрязнения по-прежнему растянут на сотни лет. Этого промежутка времени вполне достаточно для проявления радиоактивного распада, как механизма самоочищения подземных вод, что, наряду с другими задерживающими факторами, способствует уменьшению концентраций ниже уровня ДКБ. Для оценки влияния на прогнозы возможных отклонений коэффициента поперечной дисперсивности (5У) от первоначально принятого значения 8У =20м было выполнено моделирование для диапазона 5<ду<50м. Сравнивая результаты соответствующей расчетной серии, можно заметить, что изменение 5у в указанном диапазоне слабо влияют на скорость смещения концентрационных пиков. В тоже время, увеличение 8У приводит к некоторому

уменьшеншо значений пиковых концентраций в точках наблюдения, расположенных по направлению потока подземных вод. Таким образом, проведенный дополнительный анализ показал, что к полученным ранее результатам можно относиться с доверием.

Заключение

Основные выводы работы сводятся к следующему:

1. Разработанные принципы гидрогеологической схематизации условий воздействия на подземные воды радиоактивных выбросов (истечений) при тяжелых запроектных авариях на АЭС позволили согласовать сценарии аварийных ситуаций с комплексом гидрогеологических моделей- с позиций представления в последних источников загрязнения и выбора параметров, их описывающих.

2. Разработанные концептуальные и "ситуационные" модели радиоактивного транспорта позволяют повысить точность долговременных прогнозов при оценках гидрогеоэкологнческих последствий аварий на АЭС. В частности , на аналитическом уровне была осуществлена:

а) оценка комбинированного влияния поперечной гидродиспсрсии и радиоактивного распада, сорбции и молекулярной диффузии, рассматриваемой в качестве важного механизма массообмена в трещиновато-пористых породах;

б) уточнены пространственно-временные диапазоны применимости расчетных схем миграции вещества, подверженного распаду, в трещиновато-пористых породах, в частности, показано, что в расширенных пространственно- временных диапазонах реализуется расчетная схема неограниченной емкости;

в) разработаны приемы, позволяющие оценить влияние коллоидообразования на интенсивность переноса сорбируемых радионуклидов в комплексах гомогенных и гетерогенных (трещиновато-пористых) пород;

3. Исследована специфика решения высокоградиентных задач радионуклидного транспорта на численных моделях; это позволило доказать приемлемость метода характеристик для решения миграционных задач при перепадах концентраций в "точечном" источнике загрязнения и фоновыми значениями до 8 порядков; более высокие исходные концентрационные градиенты приводят к заметным погрешностям в описании (расчетах) периферийных зон ореолов загрязнения (второй сценарий аварий на АЭС)

4. Применительно к объектам детальных исследований (Кольская н Дальневосточная АЭС) предложена методика прогноза радиоактивного загрязнения, осложненного плановой неоднородностью пород при сильной параметрической

неопредсленносги; в основе модельных построений лежат: 1) лабораторный данные по сорбции радионуклидов на поверхностях трещин (КАЭС) и по параметрам диффузионного насыщения пористой матрицы (ДАЭС); анализ показал, что оба процесса оказывают сильное сдерживающее влияние на интенсивность трещинной миграции радиостронцня и радиоцезия; 2) полевые наблюдения и опробования с применением специальных методик интерпретации трассерных экспериментов, а также привлечение данных электроразведки для выявления зон повышенной трещиноватости; 3) анализ параметрической чувствительности на численных моделях, что позволяет повысить надежность миграционных прогнозов.

Основные положения диссертации отражены в следующих опубликованных работах.

1. Опыт гидрогеологического анализа последствий тяжелых аварий на атомных реакторах ( применительно к проектируемым объектам) Статья I, Геология и разведка ,№ 6 ,1992г в соавторстве с Румыниным В.Г и Коносавским П.К.

2. Опыт гидрогеологического анализа последствий тяжелых аварий па атомных реакторах (применительно к проектируемым объектам) Статья 2 , Геология и разведка , № 1 , 1993г в соавторстве с Румыниным В.Г и Коносавским П.К.

3. Development of hydrogeological modeling approaches for assessmeat of conséquences of hazardous accidents at nuclear povver plants., Lawrence Berkeley Laboratory, USA, 1994., в соавторстве с Румыниным В.Г, Мироненко В.А., Коносавским П.К.

4. Анализ гидрогеоэкологических последствий гипотетических аварии на проектируемых атомных станциях. Тезисы доклада на Всеросийского гидрогеохимического совещания. Томск, 1993г.

5. Прогнозные гидрогеоэкологические оценки последствий возможных тяжелых аварий на Дальневосточной АЭС . Тезисы доклада Иркутск 1995г.

6. Оценка роли радиоколлоидов в транспорте радионуклидов. Сборник молодых ученых , СПбГГИ (в печати- план издания 1996г.).