Введение к работе
Актуальность исследования. Ключевым моментом в недавно принятом Федеральном законе «Об обращении с радиоактивными отходами ...» (№190-ФЗ от 11.07.2011 г.) является новая стратегия обращения с накопленными радиоактивными отходами (РАО), предполагающая переход от технологии их хранения к технологии захоронения в пунктах окончательной изоляции. Создание единой государственной системы обращения с РАО предполагает также повышение требований к мониторингу и прогнозированию воздействия на окружающую среду действующих и проектируемых хранилищ РАО.
На территории Северо-Запада Европейской части РФ складирование низко- (НАО) и средне- (САО) активных радиоактивных отходов Санкт-Петербурга и Ленинградской области осуществляется на специализированной площадке г. Сосновый Бор во временных поверхностных хранилищах. Ограниченный объём наземных хранилищ предопределяет актуальность постановки вопроса об использовании подземного пространства для захоронения РАО. Первые предпроектные проработки этого вопроса были выполнены в 1980-х годах специалистами ВНИПИЭТ (В.Т. Сорокин, А.В. Демин), ЛСК «Радон» (М.Ф. Якушев, А.А. Игнатов), а также сотрудниками ФГУП НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина» (Е.Б. Андерсон, В.Г. Савоненков, СИ. Шабалев).
Выбор участка для строительства подземного пункта захоронения РАО в пределах г. Сосновый Бор Ленинградской области обусловлен развитой производственной базой атомной энергетики и относительно благоприятными геологическими и гидрогеологическими условиями.
Для обоснования безопасности при создании пункта захоронения РАО (ПЗРО) требуется детальное изучение физико-механических, фильтрационных и миграционных (барьерных) свойств вмещающих глинистых пород. Большой вклад в развитие представлений о формировании свойств глинистых отложений Северо-Запада внесли фундаментальные труды В.Д. Ломтадзе. В работах Р.Э. Дашко получили развитие новые представления о коренных глинистых породах региона как среды с трещиновато-блочной структурой. Исследованиям миграционных параметров посвящены работы Е.И. Орловой, А.Е. Орадовской и др. Применительно к песчано-глинистым отложениям Ленинградской области, изучением
сорбционных и диффузионных свойств занимались Е.Б. Панкина, М.П. Глухова, Е.В. Захарова В диссертационных работах А.Н. Дунаевой и М.Н. Сабодиной рассмотрены основные механизмы адсорбции радионуклидов на глинах.
Представления о существующем загрязнении подземных вод г. Сосновый Бор и его окрестностях основываются на материалах В.П. Тишкова, Л.Д. Блиновой, В.А. Мироненко, В.Г. Румынина, А.В. Степанова, Е.Б. Панкиной, М.П. Глуховой, М.Л. Глинского, А.В. Глаголева.
Достоверность прогнозирования радионуклидного воздействия на компоненты подземной среды зависит от учета тех процессов, которые отвечают за массоперенос вещества, а также от качества параметрической базы, заложенной в модель. Результаты прогнозов в свою очередь определяют принятие окончательного решения о возможности строительства подземных сооружений повышенной степени ответственности.
Цель работы. Обоснование геомиграционных параметров песчано-глинистых отложений нижнего кембрия и верхнего венда, определяющих безопасность эксплуатации пунктов хранения и захоронения НАО и САО применительно к условиям Северо-Западного атомно-промышленного комплекса (СЗАПК).
Основные задачи исследования:
оценка пространственной изменчивости адсорбционных и диффузионных параметров ломоносовских песчаников и верхнекотлинских глин в зоне влияния существующих поверхностных и проектируемых подземных хранилищ РАО;
разработка новых методик проведения и интерпретации лабораторных экспериментов для определения коэффициентов молекулярной диффузии в глинистых отложениях, а также их математическое обоснование;
прогнозирование миграции радионуклидов в верхнекотлинских глинах при аварийных сценариях эксплуатации подземных хранилищ РАО.
Методы исследования. При выполнении работы соискатель применял полевые, лабораторные и расчетные методы исследований. Для изучения геологического строения участка и отбора образцов породы использовалось колонковое бурение. Активность радионуклидов в лабораторных условиях определялась счетными радиометрическими методами. Прогнозы миграции радионуклидов
проводились как на стандартных численных программных средствах (ModFlow, MT3DMS), так и по аналитическим зависимостям. Научная новизна:
- предложены структурные модели пространственной
изменчивости коэффициентов адсорбционного распределения (Sr-90,
Cs-137 и Со-60) для ломоносовских песчаников;
- получены статистически обоснованные значения параметра,
характеризующего анизотропию коэффициента молекулярной
диффузии в вернекотлинских глинах;
- исследована и математически описана кинетика адсорбции
радионуклидов в мелкомасштабных диффузионных экспериментах с
образцами верхнекотлинских глин.
Практическая значимость полученных результатов.
разработанные новые методики проведения диффузионных экспериментов и математические модели интерпретации их результатов могут использоваться на других объектах хранения и захоронения РАО;
полученные параметры адсорбции и молекулярной диффузии, в сочетании с результатами других исследований, могут быть использованы при разработке проектов оценки воздействия на окружающую среду ЛАЭС-2 и ПЗРО.
Личный вклад соискателя. Начиная с 2006 г., в рамках студенческих работ, а затем на этапе подготовки кандидатской диссертации соискатель исследует процессы миграции радионуклидов в подземных водах. Всё это время работы ведутся в тесном сотрудничестве с научными, изыскательскими и проектными организациями: СПбО ИГЭРАН, ФГУП«НИТИ», ИФХЭРАН, ОАО«СПБАЭП», ФГУШРосРАО», ГК«РОСАТОМ», ОАО «ГИ ВНИПИЭТ», ОАО «ЭНЕРГОИЗЫСКАНИЯ», ФГУП «ГИДРОСПЕЦГЕОЛОГИЯ».
Автор диссертации принимал непосредственное участие в полевых работах при бурении скважин, отборе проб воды и кернового материала. Им была разработана методика постановки и интерпретации результатов лабораторных экспериментов, а также обоснованы численные и аналитические модели миграции радионуклидов, даны прогнозные оценки формирования полей загрязнения подземных вод.
Обоснованность и достоверность научных результатов базируется на анализе публикаций по исследуемой проблематике, обширном полевом материале и лабораторных исследованиях, а также на результатах модельных расчетов.
Защищаемые положения.
Характер пространственной изменчивости коэффициента сорбционного распределения ломоносовских песчаников для Sr-90, Cs-137 и Со-60 определяется различиями в типах физико-химических взаимодействий этих радионуклидов с минеральной матрицей рассматриваемых пород.
Существенные различия (в 3-10 раз) в коэффициентах фильтрации воды и диффузии радионуклидов (Н-3, Sr-90, Cs-137 и Со-60) в вертикальном и горизонтальном направлениях для верхнекотлинских глин, установленные на участке предполагаемой проходки горных выработок подземного пункта захоронения РАО, определяются их макро- и микротекстурой.
Безопасность подземного пункта захоронения РАО в нормальных и аварийных режимах эксплуатации, а также после его консервации, обеспечивается за счет низкой проницаемости верхнекотлинских глин и их физико-химической активности, что подтверждается экспериментальными и модельными исследованиями.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты
исследования и защищаемые положения диссертации докладывались на
международных и российских конференциях: II, III, IV
Международный ядерный форум «Безопасность ядерных технологий:
обращение с РАО и ОЯТ» (Санкт-Петербург 2007, 2008, 2009); 5-й НТС
«Проблемы и перспективы развития химического и радиохимического
контроля в атомной энергетике» (Сосновый Бор, 2009); Первая
всероссийская конференция молодых учёных, посвященная памяти
В.А. Мироненко (Санкт-Петербург, 2010); Международная
конференция «Инженерная защита территорий и безопасность населения: роль и задачи геоэкологии, инженерной геологии и изысканий» (Москва, 2011 г); «Комплексные проблемы гидрогеологии» (Санкт-Петербург, 2011); Российско-германский семинар по обращению с радиоактивными отходами низкого и среднего уровня активности (Санкт-Петербург, 2011); Заседание германо-российской группы экспертов по научно-техническому сотрудничеству в области исследований по безопасности реакторов и захоронению РАО (Германия, Гархинг, 2011).
Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 13 опубликованных работах. Из них 1 статья в журнале, входящем в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки России, 2
свидетельства о государственной регистрации баз данных и 1-ой программы на ЭВМ.
Структура работы. Диссертация изложена на 148 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, содержит 83 рисунка и 32 таблицы.
Благодарности. Соискатель выражает признательность своему
научному руководителю члену-корр. РАН, д.г.-м.н. В.Г. Румынину за
постоянную помощь и поддержку на всем протяжении подготовки
диссертационной работы. Отдельная благодарность к.г.-м.н.
Л.Н. Синдаловскому за предоставленные консультации в процессе выполнения работы, а также сотрудникам ФГУП «РосРАО» -И.А. Суханову, А.А. Игнатову, А.Г. Литвиненко за организационную поддержку и финансирование выполняемых работ. Консультации по проектным решениям любезно предоставлены д.т.н. В.Т. Сорокиным.
Соискатель благодарит сотрудников радиохимических лабораторий НИТИ и ИФХЭ РАН - кх.н. Е.Б. Панкину, к.х.н. Е.В. Захарову, М.П. Глухову, Н.В. Черноморову и Л.И. Константинову за качественно проведённые эксперименты с радиоактивными изотопами, а также В.В. Сокурова (ВНИИГ) и М.О. Зезину (СПбГУ) за предоставленный материал по фильтрации воды в глинах.
Соискатель особенно признателен профессору кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ д.г.-м.н. Р.Э. Дашко за критические замечания, способствовавшие улучшению содержания работы, а также сотрудникам кафедры гидрогеологии СПбГУ за активное обсуждение диссертации и ряд ценных советов.
