Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние проблемы безопасности захоронения РАО
1.1. Виды РАО и способы решения проблемы их захоронения 10
1.1.1. Состояние проблемы захоронения РАО в США 15
1.1.2. Состояние проблемы захоронения РАО в России 16
1.1.3. Постоянные хранилища: изолированные или открытые 19
1.2. Особенности глубинного и поверхностного захоронения 21
1.3. Защищенность подземных вод от загрязнения и возможные пути ее повышения. 25
1.3.1. Искусственные глинистые экраны в основании участков захоронения 27
1.3.2. Локализация очага загрязнения с помощью «стены в грунте» 28
1.3.3. Локализация очага загрязнения с помощью противофильтрационной завесы, выполненной путем инъекции раствора в грунт
1.4. Массоперенос как основа оценки степени защищенности подземных вод от загрязнения радионуклидами.
1.5. Анализ современного состояния проблемы захоронения и возможные пути ее решения.
Принятая методика исследований эффективности работы естественных и искусственных экранов в районах захоронения РАО
2.1. Необходимые исходные инженерно-геологические материалы при оценке естественных и искусственных экранов как геохимических барьеров на пути миграции радионуклидов .
2.2.1. Математическое моделирование процесса миграции и получение рогнозных решений для одно-, двух- и трехслойных экранов
2.2.2. Методика получения экспериментальных исходных данных ля прогнозных решений.
2.2.3. Способ количественной оценки эффективности работы естественных и искусственных экранов как геохимических барьеров с учетом процесса десорбции. 61
2.3. Экспериментальное обоснование возможности использования микродисперсионной модели в прогнозных решениях. 64
3. Результаты лабораторных исследовании эффективности работы искусственных экранов как геохимических барьеров на пути миграции радионуклидов . 68
3.1. Состав загрязнителей. Обоснование и выбор модельных растворов. 69
3.2. Эффективность работы грунтовой толщи, перекрывающей водоносный горизонт, как геохимического барьера на пути миграции .
3.3. Эффективность работы глинистого, песчано-глинистого и песчано-гелевого экранов как геохимических барьеров на пути миграции радионуклидов.83
3.4. Анализ результатов лабораторных исследований. 91
4. Апробирование методики оценки эффективности работы искусственных экранов в полевых условиях . 96
4.1. Геологическое строение района 97
4.2. Местоположение, рельеф и физико-географические условия района 99
4.3. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия участка захоронения ЖРО 100
4.4. Оценка защищенности подземных вод в районе исследуемого объекта захоронения ЖРО 112
4.5. Обоснование и выбор способов защиты подземных вод от загрязнения радионуклидами в случае возникновения аварийной ситуации на исследуемом объекте 115
4.5.1. Участок временного складирования ЖРО 116
4.5.2. Возможные способы локализации потенциального очага загрязнения подземных вод на данном участке захоронения ЖРО 119
4.5.3.. Рекомендации по локализации потенциального очага загрязнения в районе исследуемого участка захоронения ЖРО 119
5. Заключения и выводы 132
Список использованной литературы 135
- Виды РАО и способы решения проблемы их захоронения
- Необходимые исходные инженерно-геологические материалы при оценке естественных и искусственных экранов как геохимических барьеров на пути миграции радионуклидов
- Эффективность работы грунтовой толщи, перекрывающей водоносный горизонт, как геохимического барьера на пути миграции
- Инженерно-геологические и гидрогеологические условия участка захоронения ЖРО
Введение к работе
Среди актуальных проблем современной России наиболее острой является защита среды обитания человека от продуктов и отходов атомной промышленности, ядерной энергетики и военно-промышленного комплекса.
Огромное количество радиоактивных отходов (РАО), исчисляемое многими миллионами тонн, скопилось в настоящее время во временных, не оснащенных средствами долговременной изоляции, хранилищах, отстойниках, естественных водоемах и отвалах. Значительная их часть была бесконтрольно соскладирована еще в начальный период создания ядерного потенциала СССР.
Первые попытки решения проблем обращения с РАО на государственном уровне в России были предприняты в 90-х годах прошлого столетия. В результате, к настоящему времени созданы законодательная (закон РСФСР 1991 года «Об охране окружающей среды», закон РФ 1991 года «О санитарном эпидемиологическом благополучии населения») и нормативная (Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности, Нормы радиационной безопасности) базы этого рода деятельности. В основу разработанных документов заложена современная природоохранная стратегия, опирающаяся на концепцию экологической безопасности человеческой деятельности, которая исходит из того, что в любой области деятельности к практической реализации допускается только экологически чистая технология. По отношению к деятельности в области обращения с РАО, это означает, что процессы переработки и хранения отходов признаются экологически безопасными, если вследствие воздействия строительства и эксплуатации комплексов по обращению с РАО состояние природного окружения в регионе меняется не более, чем это признано допустимым, а условия жизни людей - не более, чем это допускают санитарно-гигиенические нормативы [52,54,69,79,89,112,113J
В последние годы стала доступна информация об объемах и активности РАО и отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Общий объем РАО на территории России оценивается в 6х108 м3. Суммарная активность оценивается в 5,6х1019 Бк. Более 99% этого количества связано с военной деятельностью по наработке ядерных материалов и сосредоточено на объектах Минатома России. При этом на жидкие радиоактивные отходы (ЖРО) приходится 85%, на твердые (ТРО) и остеклованные - 15% общей активности. Так, на предприятиях Минатома России в 105 пунктах хранения находится более 500 млн м3 ЖРО, суммарная альфа-активность которых оценивается в 1,9х1016Бк, а суммарная бета-активность - 7,Зх1019Бк [69]. Твердые радиоактивные отходы , суммарная альфа-активность которых составляет 6x10 Бк и бета-активность — 8,1x10 Бк, находятся в 274 пунктах хранения и составляют по массе около 180 млн тонн. Из 274 имеющихся пунктов хранения твердых
радиоактивных отходов в настоящее время: 131 действует (48%), ПО выведено из эксплуатации (40%), 33 законсервировано (12%). По месту расположения эти пункты распределились следующим образом: на промплощадках - 219 (80%), в санитарно-защитных зонах - 51 (18%), в зонах наблюдения - 4 (2%). Наибольшее количество пунктов хранения твердых радиоактивных отходов расположено на предприятиях ядерного топливного цикла — 146, на АЭС - 46, на горнорудных предприятиях - 31 [69].
На сегодняшний день на 21 предприятии российской атомной отрасли эксплуатируются 30 установок переработки радиоактивных отходов. 20 установок предназначены для переработки ЖРО (установки цементирования, битумирования, остекловывания, кальцинации, упаривания, очистки сбросных вод, фракционирования РАО) и 10 установок для переработки ТРО (сжигание, прессование, плавление). Объем переработанных жидких радиоактивных отходов за время эксплуатации установок составил 148325 тыс. м3, твердых радиоактивных отходов 45,3 тыс. тонн, распределившихся по активности следующим образом: высокоактивных — 12,9 тыс. м3 с активностью 1,1х1019Бк, среднеактивных - 242,3 тыс. м с активностью 4,2x10 Бк, низкоактивных - 148,1 млн м с активностью 3.1х1015Бк [69]
Риск, связанный с наличием РАО, обусловлен возможностью попадания различного количества радионуклидов в среду обитания, поэтому проблема утилизации такого большого количества радиоактивных отходов стоит в настоящий момент достаточно остро, в связи с чем одним из актуальных направлений современных исследований в области обращения с РАО является поиск различных технологий их надежного захоронения.
Цель захоронения долгоживущих радионуклидов состоит в изоляции их от биосферы на длительные периоды времени с гарантией того, что мигрирующие и достигнувшие среды обитания человека радиоактивные вещества будут иметь несущественные концентрации, сравнимые с уровнем естественного радиоактивного фона. Принятые международным сообществом основные принципы захоронения отходов заключаются в их изоляции и системе многоступенчатого удержания, обеспечивающей снижение факторов риска до приемлемо малой величины.[16,30,37,46].
На решение этой конечной задачи направлена геологическая концепция и
геологические критерии захоронения отходов. Разработанная Минатомом России концепция
обращения с радиоактивными отходами [46] основана на принципах много-барьерной
защиты от выхода радионуклидов из отходов в биосферу в процессе переработки и
длительного хранения. В качестве основных механизмов создания барьеров
рассматриваются форма образования отходов и выбор геологической среды, а также инженерные системы и сооружения.
Уже с первых моментов захоронения отходов в геологическую среду специалисты принимали во внимание необходимость решения проблемы защиты водных ресурсов от загрязнения РАО. Акцент на защиту подземных вод делался в связи с тем, что подземные волы имеют определенную скорость фильтрации, что может со временем способствовать расширению очага загрязнения. В этой связи при выборе мест приповерхностного захоронения РАО предпочтение, естественно, отдавалось участкам, где грунтовая толща, перекрывающая первый водоносный горизонт, была представлена суглинистыми отложениями с малым коэффициентом фильтрации. В районах приповерхностного захоронения, где грунтовая толща зоны аэрации была представлена отложениями с большим коэффициентом фильтрации, использовались глинистые экраны с целью снижения интенсивности инфильтрации жидкой фазы отходов, содержащих радионуклиды. Для повышения безопасности при аварийных ситуациях аналогичным образом подходили к решению проблемы защиты подземных вод от загрязнения и в случае складирования твердых РАО
С развитием атомной промышленности постепенно переходили к глубинному захоронению отходов. В этом случае при выборе места захоронения учитывалась степень природной изолированности участка от водоносных горизонтов, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Как правило, выбранный горизонт захоронения имел хорошую противофильтрационную защиту в виде глинистых горизонтов, изолирующих его от выше- и нижележащих водоносных горизонтов, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Вместе с тем, уже в 60-ые годы в гидротехническом строительстве в результате научно-технических исследований были разработаны способы создания противофильтрационных инъекционных экранов на большой глубине. Эти экраны создавались с помощью суспензионных растворов и химических гелеобразующих растворов. Назначение этих экранов определялось в основном необходимостью снижения расходов воды в водохранилищах, а также снижения водопритоков в различного рода котлованы, шахты и т.д. Несколько позже с целью локализации очагов техногенного загрязнения учеными различных стран, прежде всего Италии, был разработан способ создания «стены в грунте». Названные выше способы защиты подземных вод от загрязнения радиоактивными отходами были основаны, прежде всего, на использовании малой проницаемости грунтов или на ее резком снижении путем создания искусственных противофильтрационных экранов. Однако, использование этих способов локализации очагов загрязнения связано с необходимостью оценки эффективности их работы не только как противофильтрационных экранов, но и как поглощающих геохимических барьеров на пути миграции радионуклидов.
С развитием исследований в области массопереноса загрязнителей в грунтовых толщах различной степени дисперсности и минерального состава было установлено, что суглинистые разности и гели целого ряда инъекционных растворов обладают значительной поглощающей способностью (сорбция, осаждение, соосаждение) в отношении различных токсикантов и радиоактивных элементов. Появились работы, посвященные математическому моделированию процесса массопереноса таких загрязнителей в дисперсных грунтах. Целый ряд статей за последние двадцать лет был посвящен математическим моделям массопереноса загрязнителей в грунтовых толщах, уравнениям, соответствующим этим моделям, и их решениям. Предпочтение тем или иным математическим моделям массопереноса различные авторы отдавали с учетом тех или иных структурных особенностей грунтов, в которых рассматривался процесс массопереноса загрязнителей. Все эти работы, а также результаты экспериментальных исследований по определению поглощающей способности грунтов в отношении химических загрязнителей и значений миграционных параметров последних, послужили основой для разработки методики количественной оценки эффективности работы естественных и искусственных экранов как геохимических барьеров на пути миграции радионуклидов.
Накопленный опыт по созданию противофильтрационных экранов инъекционным способом и с помощью «стены в грунте» может использоваться в районах захоронения РАО при аварийных ситуациях. Основанием для такого предположения является комплекс исследовательских работ по изучению процесса массопереноса загрязнителей в различных средах, выполненных специалистами разных стран, а также исследования, связанные с оценкой поглощающей способности различных глинистых минералов и других материалов, которые могут быть использованы для создания искусственных экранов на пути миграции радионуклидов. Окончательное решение о целесообразности использования искусственных экранов может быть принято только после разработки и апробирования методики количественной оценки эффективности работы таких экранов на пути миграции радионуклидов.
Актуальность данной работы определяется необходимостью создания при проектировании и эксплуатации экологически опасных объектов современных средств защиты, исключающих отрицательное воздействие на природу и, в первую очередь, на подземные воды как наиболее вероятный путь распространения радиоактивного загрязнения.
Целью исследования является разработка и апробирование способа оценки защищенности подземных вод от загрязнения в районах захоронения отходов атомной промышленности при использовании естественных и искусственных
противофильтрадионных экранов как геохимических барьеров на пути миграции радиоактивных элементов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение способов создания противофильтрационных экранов для решения вопросов о возможности их использования в качестве геохимических барьеров для защиты подземных вод от загрязнения;
анализ существующих математических моделей, соответствующих им уравнений и их решений, позволяющих прогнозировать процесс миграции радиоактивных загрязнителей в естественных суглинистых грунтовых толщах и искусственных экранах;
обоснование и выбор оптимальной методики оценки эффективности работы геохимических барьеров, свойства которых определяют степень защищенности подземных вод;
изучение процесса поглощения потенциальных радиоактивных загрязнителей глинистыми грунтами различного вещественного состава;
разработка и апробирование в лабораторных условиях способа получения миграционных параметров радиоактивных элементов в искусственных глинистых, песчано-глинистых и песчано-гелевых экранах;
апробирование методики количественной оценки степени защищенности подземных вод на действующем объекте захоронения РАО;
создание в полевых условиях методом инъекции фрагментов противофильтрационных сорбирующих экранов и оценка эффективности их работы как геохимических барьеров с целью обоснования предлагаемых рекомендаций по защите подземных вод от загрязнения в случае возникновения на объекте аварийной ситуации.
Основные защищаемые положения:
Данные о поглощающей способности грунтовой толщи в отношении потенциальных загрязнителей подземных вод должны быть неотъемлемой частью характеристики геологической среды как объекта захоронения радиоактивных отходов.
Снижение интенсивности поражения подземных вод при неблагоприятных инженерно-геологических условиях и локализации очага загрязнения в условиях аварийной ситуации в районах захоронения РАО достигается путем сооружения горизонтальных и вертикальных противофильтрационных сорбирующих экранов. Они могут быть глинистыми, песчано-глинистыми и песчано-гелевыми. Такие экраны создаются путем укладки и уплотнения глинистого материала в основании участка
захоронения, сооружения «стены в грунте» или инъекции суспензионных и химических гелеобразующих растворов в грунт, соответственно.
3. Оценка эффективности работы естественных и искусственных экранов как
геохимических барьеров с учетом процессов сорбции и десорбции может осуществляться
на базе микродисперсионной модели массопереноса радионуклидов.
4. Количественным критерием степени защищенности подземных вод от
загрязнения радионуклидами служит предельно-допустимое время эксплуатации участка
захоронения отходов, в течение которого концентрация ни одного из потенциальных
загрязнителей на границе водоносного горизонта не превысит предельно-допустимый
уровень как в период эксплуатации участка захоронения, так и после его консервации.
Научная новизна.
Впервые дается методика количественной оценки степени защищенности подземных вод от загрязнения при захоронении радиоактивных отходов в геологическую среду, представленную суглинистыми разностями. Новым является, также, представленный способ оценки эффективности работы искусственных экранов, как геохимических барьеров на пути миграции радиоактивных элементов.
Практическая ценность работы заключается в обеспечении возможности принятия обоснованного решения по выбору оптимального участка захоронения отходов атомной промышленности, а также выбору мероприятий по локализации очага загрязнения при аварийных ситуациях в районах захоронения РАО.
Реализация работы может осуществляться практически на всех объектах захоронения, как жидких, так и твердых отходов атомной промышленности. В диссертации представлена технология создания вертикальных экранов для локализации очага загрязнения в случае поражения первого водоносного горизонта на старых участках приповерхностного захоронения ЖРО, а также методика количественной оценки эффективности работы этих экранов во времени, основанная на расчете предельно-допустимого времени эксплуатации таких экранов как геохимических барьеров. При проектировании нового участка захоронения в суглинистых разностях методика может быть использована для оценки степени защищенности подземных вод от загрязнения и на базе этой оценки определено оптимальное место размещения отходов атомной промышленности. Предлагаемые в работе подходы к выбору защитных мероприятий могут быть использованы и при глубинном захоронении РАО.
Апробация работы выполнена на одном из объектов захоронения РАО в г. Сарове Нижегородской области. На объекте была проведена количественная оценка степени защищенности подземных вод от загрязнения. На этом же объекте была апробирована
методика создания горизонтального и вертикального противофильтрационного сорбирующего экрана; в полевых условиях были созданы фрагменты таких экранов и определена эффективность их работы во времени.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору В.И. Сергееву за советы и творческую помощь при написании диссертационной работы, всем сотрудникам Лаборатории охраны геологической среды (ЛОГС) Геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, помогавшим автору в проведении лабораторных экспериментов, а также сотрудникам экологического факультета УлГУ.
Виды РАО и способы решения проблемы их захоронения
С развитием исследований в области массопереноса загрязнителей в грунтовых толщах различной степени дисперсности и минерального состава было установлено, что суглинистые разности и гели целого ряда инъекционных растворов обладают значительной поглощающей способностью (сорбция, осаждение, соосаждение) в отношении различных токсикантов и радиоактивных элементов. Появились работы, посвященные математическому моделированию процесса массопереноса таких загрязнителей в дисперсных грунтах. Целый ряд статей за последние двадцать лет был посвящен математическим моделям массопереноса загрязнителей в грунтовых толщах, уравнениям, соответствующим этим моделям, и их решениям. Предпочтение тем или иным математическим моделям массопереноса различные авторы отдавали с учетом тех или иных структурных особенностей грунтов, в которых рассматривался процесс массопереноса загрязнителей. Все эти работы, а также результаты экспериментальных исследований по определению поглощающей способности грунтов в отношении химических загрязнителей и значений миграционных параметров последних, послужили основой для разработки методики количественной оценки эффективности работы естественных и искусственных экранов как геохимических барьеров на пути миграции радионуклидов.
Накопленный опыт по созданию противофильтрационных экранов инъекционным способом и с помощью «стены в грунте» может использоваться в районах захоронения РАО при аварийных ситуациях. Основанием для такого предположения является комплекс исследовательских работ по изучению процесса массопереноса загрязнителей в различных средах, выполненных специалистами разных стран, а также исследования, связанные с оценкой поглощающей способности различных глинистых минералов и других материалов, которые могут быть использованы для создания искусственных экранов на пути миграции радионуклидов. Окончательное решение о целесообразности использования искусственных экранов может быть принято только после разработки и апробирования методики количественной оценки эффективности работы таких экранов на пути миграции радионуклидов.
Актуальность данной работы определяется необходимостью создания при проектировании и эксплуатации экологически опасных объектов современных средств защиты, исключающих отрицательное воздействие на природу и, в первую очередь, на подземные воды как наиболее вероятный путь распространения радиоактивного загрязнения.
Целью исследования является разработка и апробирование способа оценки защищенности подземных вод от загрязнения в районах захоронения отходов атомной промышленности при использовании естественных и искусственных 7 противофильтрадионных экранов как геохимических барьеров на пути миграции радиоактивных элементов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1) изучение способов создания противофильтрационных экранов для решения вопросов о возможности их использования в качестве геохимических барьеров для защиты подземных вод от загрязнения; 2) анализ существующих математических моделей, соответствующих им уравнений и их решений, позволяющих прогнозировать процесс миграции радиоактивных загрязнителей в естественных суглинистых грунтовых толщах и искусственных экранах; 3) обоснование и выбор оптимальной методики оценки эффективности работы геохимических барьеров, свойства которых определяют степень защищенности подземных вод; 4) изучение процесса поглощения потенциальных радиоактивных загрязнителей глинистыми грунтами различного вещественного состава; 5) разработка и апробирование в лабораторных условиях способа получения миграционных параметров радиоактивных элементов в искусственных глинистых, песчано-глинистых и песчано-гелевых экранах; 6) апробирование методики количественной оценки степени защищенности подземных вод на действующем объекте захоронения РАО; 7) создание в полевых условиях методом инъекции фрагментов противофильтрационных сорбирующих экранов и оценка эффективности их работы как геохимических барьеров с целью обоснования предлагаемых рекомендаций по защите подземных вод от загрязнения в случае возникновения на объекте аварийной ситуации. Основные защищаемые положения: 1. Данные о поглощающей способности грунтовой толщи в отношении потенциальных загрязнителей подземных вод должны быть неотъемлемой частью характеристики геологической среды как объекта захоронения радиоактивных отходов. 2. Снижение интенсивности поражения подземных вод при неблагоприятных инженерно-геологических условиях и локализации очага загрязнения в условиях аварийной ситуации в районах захоронения РАО достигается путем сооружения горизонтальных и вертикальных противофильтрационных сорбирующих экранов. Они могут быть глинистыми, песчано-глинистыми и песчано-гелевыми. Такие экраны создаются путем укладки и уплотнения глинистого материала в основании участка 8 захоронения, сооружения «стены в грунте» или инъекции суспензионных и химических гелеобразующих растворов в грунт, соответственно. 3. Оценка эффективности работы естественных и искусственных экранов как геохимических барьеров с учетом процессов сорбции и десорбции может осуществляться на базе микродисперсионной модели массопереноса радионуклидов. 4. Количественным критерием степени защищенности подземных вод от загрязнения радионуклидами служит предельно-допустимое время эксплуатации участка захоронения отходов, в течение которого концентрация ни одного из потенциальных загрязнителей на границе водоносного горизонта не превысит предельно-допустимый уровень как в период эксплуатации участка захоронения, так и после его консервации. Научная новизна. Впервые дается методика количественной оценки степени защищенности подземных вод от загрязнения при захоронении радиоактивных отходов в геологическую среду, представленную суглинистыми разностями. Новым является, также, представленный способ оценки эффективности работы искусственных экранов, как геохимических барьеров на пути миграции радиоактивных элементов. Практическая ценность работы заключается в обеспечении возможности принятия обоснованного решения по выбору оптимального участка захоронения отходов атомной промышленности, а также выбору мероприятий по локализации очага загрязнения при аварийных ситуациях в районах захоронения РАО.
Реализация работы может осуществляться практически на всех объектах захоронения, как жидких, так и твердых отходов атомной промышленности. В диссертации представлена технология создания вертикальных экранов для локализации очага загрязнения в случае поражения первого водоносного горизонта на старых участках приповерхностного захоронения ЖРО, а также методика количественной оценки эффективности работы этих экранов во времени, основанная на расчете предельно-допустимого времени эксплуатации таких экранов как геохимических барьеров. При проектировании нового участка захоронения в суглинистых разностях методика может быть использована для оценки степени защищенности подземных вод от загрязнения и на базе этой оценки определено оптимальное место размещения отходов атомной промышленности. Предлагаемые в работе подходы к выбору защитных мероприятий могут быть использованы и при глубинном захоронении РАО.
Необходимые исходные инженерно-геологические материалы при оценке естественных и искусственных экранов как геохимических барьеров на пути миграции радионуклидов
Проблема защиты подземных вод имеет исключительно важное значение в связи с их использованием как основного источника хозяйственно-питьевого водоснабжения населения. В недрах Российской Федерации сосредоточены колоссальные ресурсы пресных подземных вод, которых хватило бы для обеспечения питьевой водой всего населения планеты. Однако сохранение этих ресурсов возможно лишь в условиях прекращения загрязнения подземных вод и, в особенности, тех, которые могут служить источником питьевого водоснабжения, как.в настоящем, так и обозримом будущем [3,13,15,16,21].
Под защищенностью подземных вод от загрязнения понимается изоляция водоносного горизонта отложениями (прежде всего слабопроницаемыми), препятствующими проникновению загрязняющих веществ с поверхности земли в подземные воды. Защищенность зависит от многих факторов, которые можно разбить на три группы: природные, техногенные и физико-химические [25,27].
К основным природным факторам относятся: наличие в разрезе слабопроницаемых пород; глубина залегания подземных вод; мощность, литология и фильтрационные свойства пород, перекрывающих подземные воды; сорбционные свойства пород. Очевидно, что чем надежнее перекрыты подземные воды слабопроницаемыми отложениями, чем больше их мощность и ниже фильтрационные свойства, тем выше вероятность защищенности подземных вод по отношению к любым видам загрязняющих веществ. Вместе с тем, все грунты, представленные дисперсными разностями, являются проницаемыми, даже бентонитовые глины имеют коэффициент фильтрации Кф=10"6 м/сут. В этой связи защищенность подземных вод в значительной степени будет определяться поглощающей способностью грунта в отношении радиоактивных элементов. Также, исходя из современных достижений науки, как уже отмечалось в п.1.2., обоснованность защищенности подземных вод нельзя считать доказанной без учета материалов, из которых следует, что проектируемый или действующий участок захоронения РАО не находится в зоне аномальных деформаций [25,27,39].
Почва и зона аэрации играют двоякую роль в процессе загрязнения подземных вод. С одной стороны, они выполняют защитные функции по отношению к горизонту подземных вод; с другой стороны, будучи загрязненными, они в течение длительного времени могут быть источниками вторичного загрязнения подземных вод. Поэтому, необходимы специальные исследования условий накопления загрязняющих веществ в зоне аэрации, их миграции и взаимодействия с грунтами.
К техногенным факторам, прежде всего, следует отнести условия нахождения загрязняющих веществ на поверхности земли (накопители, шламохранилища и т.д.) и определяемый этими условиями характер проникновения загрязняющих веществ в подземные воды. физико-химическим факторам относятся специфические свойства загрязняющих веществ: их миграционная способность, взаимодействие с породами и сорбируемость, химическая стойкость и время распада. Фазово-дисперсное состояние и подвижность радиоизотопов зависит от их физико-химических свойств - способности образовывать малорастворимые продукты гидролиза и комплексные соединения с ионами, содержащимися в грунтах и подземных водах. Значительная часть радионуклидов адсорбируется на глинистых минералах и других компонентах поглощающего комплекса грунтов и почв [86,93,11].
Впервые идею о возможности создания техногенных геохимических барьеров выдвинул А.И. Перельман [95], разбирая различные типы существующих в природе геохимических барьеров. Из двух типов техногенных геохимических барьеров — нейтрализационных и поглотительных, последние представляют наибольший интерес для снижения загрязнения от радиоактивных элементов, мигрирующих в техногенных потоках.
В качестве материалов для создания поглотительных (сорбирующих) барьеров могут быть использованы как природные (глины, суглинки), так и синтетические вещества (например, силикатные гели, широко применяемые в технической мелиорации грунтов). Создание геохимических барьеров на пути миграции техногенных потоков загрязнения позволит уменьшить распространение загрязнителей не только в результате снижения фильтрационной способности пород, но и благодаря процессам поглощения радионуклидов в теле барьера. При обосновании безопасности проектируемого места складирования РАО практически во всех проектных решениях их авторы касаются поглощающей способности грунтов в отношении элементов, подлежащих захоронению. Рассматриваются возможные пути миграции радиоактивных элементов и их взаимодействие с породами, которые экранируют место захоронения. Глубина проработки этого вопроса изменяется для различных объектов от прогнозной оценки на качественном уровне до попытки моделирования процесса миграции радиоактивных элементов в инженерно-геологических условиях, неблагоприятных для участка захоронения.
Выполненные исследования показали, что, например, суглинистая грунтовая толща мощностью 1 м может служить надежным геохимическим барьером для тяжелых металлов в течение десятилетий. Однако, в целом ряде районов России, где необходимо вести захоронение отходов, суглинистые разности, обладающие высокой поглощающей (сорбционной) способностью, не встречаются, а поверхностные отложения представлены песками. В этом случае защитную функцию может выполнить искусственный геохимический барьер из природных суглинков. Создание суглинистого экрана в основании участка складирования отходов дает возможность резкого снижения риска загрязнения подземных вод. Такое снижение риска определяется не низкой проницаемостью экрана, как это обычно считается, а его поглощающей способностью в отношении потенциальных загрязнителей. Поглощающая способность экрана определяется вещественным и гранулометрическим составом грунта, а также составом загрязнителя. Отсюда следует, что сооружению экрана должен предшествовать подбор оптимального состава суглинистого грунта с учетом его поглощающей способности в отношении выявленных радиоактивных элементов [85,93,111].
Возможность создания искусственного глинистого экрана в значительной степени определяется его стоимостью и наличием в районе сооружения хранилища дисперсного материала (глины, суглинков, супесей), способного поглощать выявленные загрязнители. Стоимость такого экрана будет определяться стоимостью добычи, транспортировки и укладки материала. В этой связи требуется определение минимальной необходимой и достаточной мощности экрана, который будет служить надежным геохимическим барьером для загрязнителей на протяжении всего периода эксплуатации места складирования и после его консервации.
Эффективность работы грунтовой толщи, перекрывающей водоносный горизонт, как геохимического барьера на пути миграции
Апробирование методики оценки эффективности работы естественных и искусственных экранов проводилось на одном из объектов захоронения ЖРО атомной промышленности. Согласно договору перед исполнителями (в том числе и перед автором данной диссертации как соисполнителем договора) были поставлены следующие задачи: - оценить степень защищенности подземных вод от загрязнения радионуклидами в районе действующего участка захоронения ЖРО; - разработать и апробировать варианты защиты подземных вод в условиях аварийной ситуации. В этой связи был выполнен комплекс работ по изучению геологических и геоморфологических условий в районе захоронения, инженерно-геологического строения непосредственно участка захоронения, а также комплекс работ по созданию фрагментов искусственных экранов и оценке эффективности их работы как геохимических барьеров. Рассматриваемый в диссертационной работе объект является одним из участков приповерхностного захоронения жидких радиоактивных отходов атомной промышленности России. Внешне он выглядит как пруд треугольной формы. Данный участок захоронения эксплуатировался на протяжении 50 лет. Он хорошо оборудован. При проектировании этого участка захоронения ЖРО были предусмотрены мероприятия, позволяющие резко снизить расход фильтрата, содержащего радионуклиды, через основание накопителя. К числу таких мероприятий относится, прежде всего, искусственный глинистый экран, уложенный в основании участка захоронения, с целью защиты первого водоносного горизонта от загрязнения. При создании противофильтрационного экрана на участке захоронения ЖРО в те годы естественно еще не проводилась оценка эффективности его работы как геохимического барьера на пути миграции радионуклидов. Не проводилась и оценка эффективности работы природных грунтовых толщ, залегающих выше первого водоносного горизонта. Не рассматривался также вопрос о разработке мероприятий, связанных с необходимостью локализации очага загрязнения в случае возникновения аварийной ситуации, вызванной деформацией глинистого экрана в результате неотектонических подвижек. В этих условиях руководство атомной промышленности поставило вопрос об оценке степени защищенности подземных вод и разработке мероприятий, которые могут потребоваться при аварийной ситуации и возникновении возможности поражения радионуклидами первого водоносного горизонта в районе захоронения ЖРО. Необходимость разработки и апробирования таких мероприятий продиктовано тем обстоятельством, что ближайший поверхностный водоток находится в 40 м от действующего участка складирования отходов. В разделах данной главы показан принципиальный подход к изучению геологических условий территории участка захоронения РАО, инженерно-геологических условий непосредственно в районе захоронения, а также подход к выбору комплекса исследований, позволяющих дать количественную оценку степени защищенности подземных вод от загрязнения. Именно анализ этих материалов позволяет в конечном итоге не только оценить степень защищенности подземных вод от загрязнения, но и определить возможность и эффективность выполнения мероприятий для снижения интенсивности поражения водных ресурсов в аварийных условиях. В рамках диссертационной работы разработать весь комплекс мероприятий довольно сложно из-за большой стоимости опытных лабораторных работ. В этой связи далее будут рассмотрены только принципиальные вопросы. Работы по оценке степени защищенности подземных вод от загрязнения на данном объекте выполнялись в основном с целью апробирования методики, т.к. признаков загрязнения подземных вод в результате анализа данных по сети мониторинга не установлено. Комплекс исследований по разработке и оценке эффективности работы искусственных экранов как геохимических барьеров на пути миграции потенциальных загрязнителей подземных вод первого водоносного горизонта выполнялся также с целью подготовки апробированных мероприятий при возникновении аварийных ситуаций на рассматриваемом объекте. Автор данной работы принимал непосредственное участие в проведении всех видов полевых и лабораторных исследований на рассматриваемом объекте, связанных с оценкой степени защищенности подземных вод от загрязнения как в условиях действия только проектных решений, так и при создании и оценке эффективности работы искусственных экранов для локализации потенциального очага загрязнения. Изучаемый объект расположен в южной краевой части Горьковско-Алатырской зоны поднятий. В геоморфологическом отношении это провинция четвертичных ледниковых и водно-ледниковых равнин. В геологическом строении территории принимает участие карбонатная формация верхнего карбона-нижней перми. Отложения ассельского яруса перми без видимого перерыва залегают на породах верхнего карбона. Цитологически это преимущественно доломиты и, реже известняки, сформировавшиеся в мелководном бассейне нормальной солености. Доломиты сильно закарстованы, трещиноваты, кавернозны, в верхней части переработаны до рухляка. С поверхности они перекрыты корой выветривания представленной доломитовой «мукой». По механическому составу доломитовая «мука» представлена, в основном, фракциями пыли. Пористость составляет от 35 до 50 % , порода при увлажнении быстро уплотняется и не набухает, подвержена механической суффозии. С поверхности развиты отложения днепровского оледенения средне-четвертичного возраста. Эти водно-ледниковые образования представлены песками средне- и мелкозернистыми, с прослоями и линзами супесей, суглинков, глин. Первоначальные сведения о геологических и гидрогеологических условиях конкретного участка, для которого проводились исследования, были крайне ограничены. Однако, проведенный анализ этих материалов позволил сделать приблизительную оценку инженерно-геологических и гидрогеологических условий. Структурно-геоморфологический анализ показал, что территория имеет блоковую структуру со следами неотектонических подвижек. Долина изучаемого ручья, видимо, развита по неотектонической подвижке. Правый борт крутой, на его склоне под маломощным слоем делювия, на дневную поверхность выходят коренные породы. Левый склон пологий, абсолютные отметки ложа пруда составляют приблизительно 128-129 м. В геологическом строении района работ принимают участие сверху вниз: 1. Отложения pd Qvi. Почвенно-растительный слой, пойменные аллювиальные отложения, представленные песками, илами, прослоями торфа мощностью до 2 м. 2. Отложения f Qndi. Пески, мелко -и среднезернистые, желтого, серого и коричневого цветов, с включением дресвы и щебня доломита до 30-40%с с небольшими по мощности прослоями супесей коричневого и темно-серого цвета, суглинки (прослоями мощностью до 3,3 м) коричневого, серого и темно-серого цвета, с включением щебня доломита до 35%, глины серого и серовато-желтого цвета полутвердой и твердой консистенции с содержанием щебня доломитов до 30% мощностью до 13 м. 3. Отложения e-d Сз. Коричневато-бурые суглинки с линзами песков и супесей. Глыбы и дресва окварцованного доломита с песчаным и суглинистым заполнителем (иногда доломитовой «мукой») мощностью до 5,0 м.
Инженерно-геологические и гидрогеологические условия участка захоронения ЖРО
Изучение инженерно-геологических условий района, где размещен пруд-накопитель, показало, что в нескольких километрах от него находится старый карьер, откуда поставлялась глина для нужд города. Оставшиеся объемы глинистого материала в карьере неизвестны. В связи с тем, что других карьеров поблизости нет, было принято решение об оценке этих глинистых разностей как материала для заполнения «стены в грунте».
Анализ геоморфологических условий в районе рассматриваемого объекта показал, что реально сделать «стену в грунте» вокруг пруда-накопителя можно только с берега, где отсутствует заболоченная территория. На рисунке 50 показан план расположения «стены в грунте» с учетом геоморфологических условий и возможности ведения строительных работ. На этом же плане выделен участок «стены в грунте», где для ее создания потребуется сооружение дамбы, т.к. эта часть территории заболочена. На правом берегу пруда для сооружения «стены в грунте» необходимо выполнить комплекс работ, связанных с ликвидацией овражной сети и создания условий, приемлемых для выполнения работ.
Также на рисунке 50 схематично представлен разрез пруда-накопителя, из которого следует, что «стена в грунте» начинается с поверхности и доходит до доломита. Ее глубина на различных участках будет изменяться от 1,5 м до 5,1 м. Общий объем глинистого материала, который потребуется для создания «стены в грунте» толщиной 0,6 м составит 1585 м3.
Для оценки эффективности работы «стены в грунте» как геохимического барьера на пути миграции радионуклидов воспользуемся результатами определения миграционных параметров стронция, полученных в лабораторных условиях при фильтрации раствора соли Sr(NC 3)2 через образец саровской глины. Имея миграционные параметры, было рассчитано Тпр. для толщины «стены в грунте» в 0,6 м, которое составило 85 лет.
Итак, для сооружения «стены в грунте» необходимо строительство трассы вдоль периметра пруда. Также под вопросом возможность использования существующего карьера для добычи глины. Администрация данного объекта должна решить вопрос о возможности подготовки трассы в пределах овражной сети и провести работы, дающие ответ на вопрос о количестве глины в близлежащем карьере. В связи с тем, что ответы могут быть отрицательными, исполнителями были разработаны и апробированы инъекционные способы создания экрана. Б. Создание вертикальной противофильтрационной сорбирующей завесы инъекционным способом
Создание вертикального геохимического барьера инъекционным способом требует меньших затрат на предварительную подготовку территории для выполнения работ. Однако расходы, связанные с приобретением инъекционного оборудования резко возрастают. Значительный объем расходов связан и с подготовкой инъекционных растворов, если для их получения используются местные глинистые материалы. В том случае, когда для приготовления инъекционных растворов необходимо использовать привозные глинистые материалы или химические вещества стоимость создания экрана в основном определяется их приобретением и доставкой.
Принимая во внимание тот факт, что глина как материал для приготовления инъекционного раствора много дешевле, чем химические компоненты, была определена принципиальная возможность создания вертикального противофильтрационного сорбирующего экрана по периметру пруда-отстойника при использовании глинистых суспензионных растворов на базе местных и привозных глин. Из представленных в разделе 4.3. материалов следует, что для локализации потенциального очага загрязнения вертикальный сорбирующий экран должен быть выполнен в средне-зернистых флювиогляциальных песках. Самый дешевый вариант получения такого экрана возможен, как показано в главе 3, при использовании глин из местного карьера, обладающих достаточной поглощающей способностью в отношении ряда радионуклидов. Для ответа на вопрос о возможности использования этих глин при создании экрана инъекционным способом был проведен анализ гранулометрического состава флювиогляциального песка и глин местного карьера. На рисунке 51 можно видеть, что dio для песка составляет 0,11, a D95 для глин - 0,15. Согласно критерию Кинга-Буша инъекция суспензией, приготовленной на базе глин из местного карьера, во флювиогляциальные пески невозможна. По литературным данным был проведен анализ гранулометрического состава глин различных месторождений на территории России и стран СНГ. Такой анализ показал, что наиболее тонкодисперсной является махарадзовская бентонитовая глина (Грузия). На рисунке представлен гранулометрический состав этой глины. По критерию Кинга-Буша создания вертикального экрана методом инъекции на данном объекте нереальна.
В этой связи в качестве инъекционного раствора был использован щавелево-алюмосиликатный раствор, обладающий малой вязкостью и, соответственно, высокой проникающей способностью.
Принимая во внимание необходимость решения проблемы локализации потенциального очага загрязнения с минимальными затратами;на данном объекте прежде всего был выполнен комплекс полевых работ по определению возможности использования разрывной технологии инъекции, которая позволяет сократить количество скважин для получения сплошного вертикального экрана. Геоморфологические условия в районе пруда-отстойника (рис. 52) несомненно способствуют проявлению положительных моментов при разрывной технологии инъекции. С учетом крутизны склонов по правому и левому ботам пруда-накопителя можно с уверенностью говорить о том, что при ориентации главных напряжений в горизонтальной плоскости перпендикулярно и параллельно береговой линии практически по всему периметру пруда значение сгх будет более, чем на 5%, меньше ау . В этих условиях при давлении инъекции выше 0,4 уН ( см. главу 1) будет формироваться одна плоскость разрыва, параллельная береговой линии. В задачу автора входило апробирование разрывной технологии в наиболее неблагоприятных условиях, т.е. в условиях наиболее пологой части склона на трассе планируемого вертикального экрана.
