Введение к работе
Актуальность темы. Основами государственной политики в области обеспечения ядерной и радиационной безопасности определено, что одним из важнейших условий использования атомной энергии является снижение техногенного воздействия ядерно и радиационно опасных объектов на всех этапах их жизненного цикла на население и окружающую среду. К числу значимых путей воздействия относится поступление радиоактивных веществ в водные объекты.
Уже на начальных этапах развития атомной промышленности, как в России, так и за рубежом водные объекты, в том числе замкнутые водоемы искусственного и естественного происхождения, реки и моря, стали широко использоваться как элементы внутренней технологической цепочки или как конечный резервуар для сброса загрязненных вод. Применение водоемов для обеспечения функционирования объектов использования атомной энергии повсеместно продолжается и в некоторых случаях не имеет альтернативы. За этот же, более чем полувековой период времени, произошло становление системы требований к обеспечению радиационной безопасности человека и охраны окружающей среды. В ряде случаев процесс формирования природоохранных требований происходил в отрыве существующих реалий. В итоге сформировалась совокупность актуальных практических задач, связанных с оценкой и обоснованием безопасности крупных атомных энергопромышленных комплексов (АЭС, объекты ядерного топливного цикла), использующих непроточные и слабопроточные водные объекты (далее - промышленные водоемы), в том числе:
для водоемов с низким уровнем радиоактивного загрязнения (водоемы-охладители АЭС и брызгальные бассейны) - отработка вопросов комплексного использования ресурсов, в том числе донных отложений, как в период эксплуатации, так и после прекращения регулярных сбросов;
для сильнозагрязненных водоемов, являющихся элементами системы обращения с ЖРО - выработка научно обоснованных стратегий безопасной эксплуатации и вывода из эксплуатации;
для загрязненных водоемов, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварий - обоснование возможности возвращения в хозяйственное использование.
Общим методическим вопросом обоснования безопасности промышленных водоемов является необходимость уточнения существующих и разработки специальных параметров их радиационного состояния и экологической приемлемости, а также соответствующих методов расчета в зависимости от характера сложившегося и
формирующегося загрязнения, интенсивности имеющегося и потенциального водопользования, а также иных факторов технологического или природного характера.
Цель работы. Разработка расчетного метода обоснования радиационной безопасности и экологической приемлемости промышленных водоемов. Поставленная цель требует решения следующих задач:
анализ методов оценки и обоснования радиационной безопасности и экологической приемлемости (далее - безопасности) промышленных водоемов;
определение значимых для обеспечения безопасности промышленных водоемов радиоэкологических параметров, разработка требований по совершенствованию методов их расчета;
совершенствование моделей прогноза поведения радионуклидов в абиотических компонентах промышленных водоемов с учетом преимуществ моделей с сосредоточенными и распределенными параметрами;
валидация расчетной модели миграции радиоактивных веществ в промышленных водоемах с учетом пространственно-временной динамики распределения радиоактивных веществ в донных отложениях;
развитие алгоритмов расчета дозовых нагрузок для человека и гидробионтов для их использования совместно с моделью переноса радиоактивных веществ в водной среде и донных отложениях в рамках расчетного метода обоснования безопасности промышленных водоемов;
апробация расчетного метода на примере решения задач обоснования безопасности Теченского каскада водоемов ПО «Маяк».
Научная новизна работы.
Разработан комплексный метод обоснования радиационной безопасности и экологической приемлемости промышленных водоемов с использованием модели миграции радионуклидов в водной среде и донных отложениях и алгоритмов расчета дозовых нагрузок для человека и гидробионтов.
Определены основные радиоэкологические параметры безопасной эксплуатации промышленных водоемов, в частности - соотношения между параметрами водоема, характеризующими его физико-химическое состояние, и свойствами радиоактивных веществ, при которых происходит полное депонирование радионуклидов в донных отложениях вплоть до их радиоактивного распада.
Предложены основные положения метода обоснования долговременной радиоэкологической безопасности Теченского каскада водоемов ПО «Маяк», в рамках которого выработан долгосрочный прогноз изменения удельной активности 90Sr в воде промышленного водоема В-11.
Практическая ценность работы определяется широким диапазоном прикладных задач, решаемых с применением разработанных методов и подходов к оценке безопасности промышленных водоемов, а также моделей миграции радионуклидов в водной среде и донных отложениях водоемов такого типа, включая:
исследование долговременных последствий аварийных ситуаций на объекте использования атомной энергии с радиоактивным загрязнением водоема;
разработку программ радиоэкологического мониторинга и практических мероприятий по преодолению последствий радиоактивного загрязнения водных объектов;
осуществление прогнозных оценок дозовых нагрузок на население и объекты окружающей среды;
подготовку и модернизацию методик расчета допустимых сбросов в водные объекты (например, водоемы-охладители АЭС) с учетом возможности их комплексного использования;
разработку долгосрочных прогнозов изменения радиоэкологических показателей водоемов-хранилищ жидких радиоактивных отходов для анализа и обеспечения их безопасности.
Личный вклад соискателя состоит в следующем:
Разработан расчетный метод обоснования радиационной безопасности и экологической приемлемости промышленных водоемов.
Проведен модельный расчет и анализ различных режимов переноса радионуклидов в воде и донных отложениях промышленных водоемов.
Проведены расчетные исследования по обоснованию радиационной безопасности и экологической приемлемости Теченского каскада водоемов ПО «Маяк».
Основные положения, выносимые на защиту:
- Расчетный метод обоснования радиационной безопасности и
экологической приемлемости промышленных водоемов путем
определения их радиоэкологических параметров на основе:
модели миграции радионуклидов в водной среде и донных отложениях, в которой водная фаза и активный слой донных отложений рассматриваются в виде камер с гомогенным распределением радионуклидов в каждый момент времени, а поведение радионуклидов в пассивном слое донных отложений моделируется с учетом наличия пространственно-временного распределения за счет диффузионно-конвективного переноса и перераспределения радионуклидов между различными формами их нахождения (растворенная, обменная, необменная);
использования алгоритмов расчета дозовых нагрузок для человека и гидробионтов.
- Аналитические и численные зависимости, которые позволяют прогнозировать важные с точки зрения обоснования радиоэкологической безопасности промышленных водоемов характеристики распространения радиоактивных веществ в его абиотических компонентах, в частности:
оценить время достижения и значение максимальной концентрации радиоактивных веществ в воде, активном и пассивном слое донных отложений при разовом и хроническом поступлении радионуклидов в водный объект;
определить соотношения между параметрами, характеризующими свойства донных отложений и радиоактивных веществ (плотность и пористость донных отложений, коэффициент диффузии, скорость фильтрации, коэффициенты распределения и константа скорости обмена радионуклидов между различными формами их нахождения в донных отложениях, постоянная распада), при которых происходит практически полное депонирование радиоактивных веществ в слое донных отложений вплоть до радиоактивного распада.
Результаты практического применения разработанного расчетного метода для задачи обоснования долговременной радиоэкологической безопасности Теченского каскада водоемов ПО «Маяк», включая выполненный прогноз изменения удельной активности 90Sr в воде промышленного водоема В-11.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной конференции «Радиоактивность после ядерных взрывов и аварий» (Москва, 2006 г.), международной научно-инновационной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Полярное сияние» (Санкт-Петербург, 2008 г.), международной конференции «Радиоэкология: итоги, современное состояние и перспективы» (Москва, 2008 г.), международной конференции «Radioecology & Environmental Radioactivity» (Берген, 2008 г.), 4-ой международной конференции Академии наук США «Environmental Science and Technology» (Хьюстон, 2008 г.), международной конференции «Decommissioning Challenges: An Industrial Reality?» (Авиньон, 2008 г.), VI, VII, VIII и IX научных школах молодых ученых ИБРАЭ РАН (Москва, 2005 - 2008 гг.), научном семинаре «Вопросы экологической безопасности при проектировании, строительстве и эксплуатации АЭС» (ФГУП «Атомэнергопроект», г. Москва, 2005 г.), межведомственном научно-практическом семинаре «Обеспечение безопасности при обращении с жидкими радиоактивными отходами на ФГУП «ПО «Маяк» (ФГУП «ПО «Маяк», г. Озерск, Челябинская область, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них 1 монография, 8 статей в научных изданиях, включая 4 статьи в журналах по перечню ВАК Минобрнауки России, 9 докладов на российских и международных конференциях и семинарах.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 библиографических ссылок. Общий объём работы составляет 173 страницы основного текста, включая 20 таблиц и 51 рисунок, в том числе графики.
