№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.039.58
© 2014 г. ВЫСОЦКИЙ В.Л.1, СИВИНЦЕВ Ю.В.2, СОТНИКОВ В.А.1, ХОХЛОВ В.Н.1
ВЫХОД ТЕХНОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В МОРСКУЮ ВОДУ ИЗ ЗАТОПЛЕННЫХ И ЗАТОНУВШИХ ЯДЕРНЫХ И РАДИАЦИОННО-ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ
Приведены методология и результаты средневзвешенной оценки выхода техногенных радионуклидов в морскую воду из ядерных и радиационно-опасных объектов при длительном нахождении на грунте с момента затопления до полного разрушения конструктивных элементов. Дана оценка ожидаемых радиоэкологических последствий загрязнения окружающей среды для основных этапов разрушений.
Введение. В морях Мирового океана с 1946 по 1991 гг. затоплено ~46ПБк радиоактивных отходов (РАО) без учета вклада СССР. Подавляющая часть приходилась на северо-запад Атлантики — ~45,3 ПБк, из них 77,5% принадлежит Великобритании. В 1993 г. страны-участницы Лондонской конвенции, ссылаясь на недостаточную изученность радиоэкологических последствий, запретили затопление любых РАО в морях. Однако к этому времени СССР/Россия осуществили затопление отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и РАО военного и ледокольного атомных флотов активностью до 26 ПБк [1].
В северо-западной части Арктики затонули две атомные подводные лодки (АПЛ) СССР/России. Затоплены одна АПЛ, четыре объекта с ОЯТ, три реакторных отсека (РО) с корабельными ЯЭУ без ОЯТ, 19 судов с ТРО, 735 конструкций и блоков ЯЭУ без герметичной упаковки и 17105 контейнеров с ТРО. По состоянию на 2000 г. суммарная активность объектов оценивалась: с ОЯТ ~10—13 ПБк, и с ТРО--0,6—0,7 ПБк.
В Тихоокеанском регионе АПЛ, РО и объекты с ОЯТ не затапливали, но в море было сброшено 7907 контейнеров и затоплено 41 судно с отходами общей активностью ~0,48 ПБк (по состоянию на 2000 г. активность снизилась до ~80 ТБк).
Все время выход радиоактивных веществ в морскую воду сдерживают защитные барьеры ядерных и радиационно-опасных объектов (ЯРОО), эффективность которых по мере нахождения в морской среде неуклонно понижается. Это требует анализа их технического состояния, долговременного прогноза и оценки ожидаемой радиационной и радиоэкологической опасности ЯРОО.
Подход к оценке состояния защитных барьеров и выхода техногенных радионуклидов в морскую воду включает определение их скорости поступления из контейнеров с ТРО, РО, АПЛ и оборудования, находящихся на дне, учитывающий коррозионное разрушение, размывание неорганических и органических наполнителей, деградацию и выщелачивание ОЯТ.
Первыми из внешних конструкций АПЛ мигрируют продукты активации, далее после разрушения тепловыделяющих элементов (твэлов) — продукты деления, накопления и ядерное топливо. По мере "истощения" основного источника активности — твэ-
1Институт проблем безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ РАН), г. Москва.
2Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (НИЦ КИ), г. Москва.
6 мкР/ч
4 мкР/ч
б
Реакторный отсек Мощность дозы, мкР/ч над реакторами под реакторами
а
Рис. 1. Радиационная обстановка на поверхности АПЛ (а) и реакторного отсека с двумя ЯЭУ (б)
лов выход радионуклидов снижается и определяется продуктами активации, поступающими из разрушающихся под воздействием коррозии материалов реактора.
Характер коррозии и ее скорость зависят от неравнозначных внешних (соленость, температура, содержание кислорода, скорость течений, обрастание, заиливание и пр.) и внутренних (структуры, типа металлов, напряжений, деформаций, порывов и пр.) факторов, которые имеют общие закономерности и индивидуальные особенности.
В результате за последние десятилетия сформировались два определяющих подхода решения проблемы:
— в 1990—2000 гг., исходя из принципа предпочтения предупреждения опасности, для оценок использовался консервативный подход и скорость коррозии защитных барьеров принималась максимальной: для углеродистых сталей — 100 мкм/год, нержавеющих — 10 мкм/год во всех регионах, морях и океанах, где затапливали ЯРОО и ТРО [1, 2];
— с 2010 г., учитывая экспериментальную неподтвержденность консервативных оценок (выход техногенных радионуклидов из контейнеров с ТРО в морскую воду оказался в 10—20 раз меньше ожидаемого [3, 4]) использовался средневзвешенный подход, при котором скорость коррозии для углеродистых сталей принималась в пределах 40—50 мкм/год, нержавеющей — <2 мкм/год [5, 6].
Известно, что поступление радионуклидов в морскую воду происходит в два этапа:
— выход радионуклидов с поверхности источника в прилегающую воду;
— рассеяние радионуклидов в окружающей среде (вода, донные отложения, биота).
В настоящей работе приводятся результаты исследований, относящиеся к первой
стадии поступления техногенных радионуклидов в граничащую с ЯРОО морскую воду.
Результаты консервативной оценки. АПЛ, РО. После затопления выход радионуклидов из АПЛ и РО определяется коррозией наиболее активированной внешней части корпуса в районе реакторного отсека (длина 10—12 м, ширина — 7—9 м, толщина — 25— 30 мм, рис. 1 [7]).
урановых элементов — ТУЭ (239Ри, 240Ри, 241Лш, Т1/2« 432 — 2,4 ■ 104 лет) и топлива (235и, 236и, 238и, Т1/2 « 2,3 ■ 107—4,5 ■ 109 лет) был принят максимальным и ожидался сразу по-
Разрушение ЯЭУ начинается после потери герметичности РО (толщина переборок 10 мм, через ~100 лет после затопления), а выход радионуклидов из внутренних полостей и твэлов наступает после потери ее герметичности в результате повреждений или коррозии.
ТРО. Незначительный выход радиоактивных веществ из контейнеров с ТРО отмечается с момента затопления в связи с исходной их негерметичностью. По истечении 10—15 лет он увеличивается в результате образования сквозных отверстий в контейнерах под воздействием питинговой коррозии и завершается после их разрушения (стенка 3 мм — через ~30 лет, 5 мм--50 лет). Для ТРО, контейнеры которых залиты бетоном, выход не превышает 100 лет [8].
Принято, что неупакованные в контейнеры крупногабаритные металлические ТРО с поверхностным загрязнением освобождаются от радионуклидов в результате естественной дезактивации в течение двух-трех лет, неметаллические — до пяти лет.
Нахождение ТРО и реакторного оборудования в трюмах затопленных судов не изменяет начала выхода радионуклидов, а только снижает скорость. Для учета этого явления скорость водообмена между внутренним заполнением и омывающей средой до момента значимого разрушения корпуса (70—100 лет) принималась не более 10%. Расчетные значения начала и скорости выхода радионуклидов по результатам консервативной оценки применительно к наиболее опасным ЯРОО даны в табл. 1 [1, 9].
Из данных, приведенных в табл. 1, следует, что выход продуктов активации (5^е, 60Со, 63№, 14С, 59№, Тщ « 2,7—7,5'104 лет) наступает с момента затопления РО (заказы № 901, 254 в 1965 г. и № 285, 260 в 1966 г.). В результате неуверенности в эффективности защитных барьеров заказа № 421 выход продуктов деления (9С^г, 137С8, Т/2« 30 лет), транс-
1/2
~ т -г . 1 п7 л ^ . 1 п9 тта„01 Ктттт ,,,,„„„
1/2 '
сле его затопления. Такой же подход ("оценка сверху") применен и для затопленных внутриреакторных конструкций (ВРК) заказа № 538 и атомного ледокола. Однако радиоэкологический мониторинг эти факты не подтвердил [10].
При консервативном подходе для объектов с ОЯТ не удалось оценить начало контакта с морской водой ВРК и твэлов, которые приняты >2400—2500 гг., и выход из них радионуклидов.
По существу данный подход [1, 9] не позволяет определить динамику выхода техногенных радионуклидов из ЯРОО при длительном их нахождении под водой и получить представление об их потенциальной радиационной и радиоэкологической опасности.
Средневзвешенный подход. В работах [5, 6] в отличие от консервативных оценок использовались среднестатистические экспериментальные данные, которые применительно к конкретным условиям затоплений исправлялись введением индивидуальных поправок, учитывающих изменение скорости коррозии в зависимости от температуры, солености и содержания в воде растворенного кислорода для различных глубин затопления ЯРОО. Были созданы модели поэтапного проникновения морской воды через защитные барьеры внутрь объектов вплоть до ядерного топлива. Учтена неравномерность протекания коррозии в крайне ограниченных, полусвободных и свободных для перемещения воды пространствах, которые формируются по мере разрушения барьеров.
Это позволило оценить динамику выхода радионуклидов в прилегающую к ЯРОО морскую воду и выделить радиоэкологически значимые этапы загрязнения окружающей среды. Показано, что рекомендация [9] по использованию в расчетах скорости коррозии для углеродистых сталей «100 мкм/год, не оправдана, так как в Карском море на глубинах от 20-400 м она изменяется от 65 ± 15 до 45 ± 6 мкм/год, а в Тихоокеанском регионе (Японское, Охотское моря, район Камчатки) на всех глубинах захоронений отходов по данным наблюдений и выполненным оценкам — практически постоянна «40 ± 11 мкм/год.
Консервативная оценка выхода техногенных радионуклидов из ЯРОО, затопленных в Арктике (ранжированы по интенсивности выхода)
Объект Борт АПЛ Источник Начало выхода, год Скорость, МБк/год Объект Борт АПЛ Источник Начало выхода, год Скорость, МБк/год
Объекты с ОЯТ Объекты без ОЯТ
Реактор АПЛ заказа ЛБ Топливо 1972 3220000 Лихнет 4** с двумя ПБ ВРК 1988 209000
№421 ЛБ ВРК 1972 560 реакторами АПЛ - Корпус реактора 1988 44000
ЛБ Корпус реактора 1972 74 заказа № 538 ЛБ ВРК 1988 209000
АПЛ "К-27" с двумя - Корпус АПЛ, 1981 850 - Корпус реактора 1988 44000
реакторами конструкции РО, - Экран, сборка 1988 1300
корпус реактора РО с тремя реакторами № 1 ВРК 1967 211300
ПБ, ЛБ ВРК >2500 ледокола Корпус реактора 1967 9600
ПБ, ЛБ Топливо >2500 Бак МВЗ 1967 1500
ПБ, ЛБ Теплоноситель >2500 №2 ВРК 1967 15900
РО АПЛ заказа № 285 ПБ ВРК 2005 700 Корпус реактора 1967 6300
с двумя реакторами ПБ Корпус реактора 2005 19 Бак МВЗ 1967 1100
(ОЯТ в ЛБ) - Корпус РО 1966 15 № 3 ВРК 1967 188300
ПБ Бак МВЗ 2005 7 Корпус реактора 1967 8500
ЛБ Бак МВЗ 2005 7 Бак МВЗ 1967 1500
ЛБ Корпус реактора 2005 1 РО АПЛ заказа № 254 ПБ ВРК 2005 1050
ЛБ Топли
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.