ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2013, № 6, с. 483-490
УДК 550.424
ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ЗАХОРОНЕНИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ НА УЧАСТКЕ "ЕНИСЕЙСКИЙ" НИЖНЕКАНСКОГО МАССИВА (КРАСНОЯРСКИЙ КРАЙ)
© 2013 г. В. И. Мальковский***, А. А. Пэк*, Б. Т. Кочкин*, А. Ю. Озерский***
* Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, Старомонетный пер., 35, Москва, 119017 Россия. E-mail: malk@igem.ru ** Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Миусская пл., 9, Москва, 125047 Россия. E-mail: ipur@muctr.ru *** ОАО "Красноярская горно-геологическая компания" ул. К. Маркса, 62, Красноярск, 660049 Россия. E-mail: oaju@krasgeo.ru
Поступила в редакцию 15.03.2013 г.
Проведен анализ безопасности размещения радиоактивных отходов (РАО) и облученного ядерного топлива (ОЯТ) в подземном хранилище на участке "Енисейский" в районе Нижнеканского массива. Анализ проводится на основе моделирования распространения радиоактивного загрязнения в подземной среде в результате гипотетической утечки радионуклидов из хранилища. Показано, что при незначительном влиянии коллоидной формы переноса радионуклидов загрязнение долгоживу-щими изотопами U, Np, Pu, Am за 1000 лет распространяется не далее, чем на расстояние порядка 100 м. Таким образом, при размещении РАО и ОЯТ в подземном хранилище на участке "Енисейский" на глубине порядка 500 м опасность загрязнения биосферы перечисленными изотопами невелика при незначительной роли коллоидного переноса радионуклидов подземными водами.
Ключевые слова: радиоактивные отходы, подземное хранилище, подземные воды, миграция радионуклидов, математическое моделирование, коллоидный перенос.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие атомной энергетики связано не только с увеличением потребности в урановом сырье, но и с решением проблемы обращения с облученным ядерным топливом (ОЯТ) и радиоактивными отходами (РАО) и надежной изоляции их от биосферы [3, 4]. С точки зрения экологической безопасности и экономической эффективности, наиболее перспективным в настоящее время способом изоляции РАО и ОЯТ является их размещение в подземных хранилищах [12, 13, 15].
В Российской Федерации в настоящее время проводятся геологические исследования в районе Нижнеканского массива с целью проектирования подземной лаборатории на площадке будущего объекта окончательной подземной изоляции РАО [6].
Надежность изоляции РАО и ОЯТ в хранилище предполагается обеспечить за счет применения так называемой мультибарьерной концепции [5]. Она заключается в использовании как инженер-
ных барьеров, препятствующих поступлению радионуклидов из РАО и ОЯТ в подземные воды, так и естественного барьера - массы пород, отделяющих хранилище от биосферы. Поскольку РАО содержат изотопы с большими периодами полураспада, отходы продолжают оставаться потенциально опасными для биосферы через сотни и даже тысячи лет после их размещения в хранилище. За такое время инженерные барьеры могут частично деградировать. Вследствие этого безопасность размещения РАО и ОЯТ в подземном хранилище в значительной степени определяется надежностью естественного (геологического) барьера. Основной механизм распространения радиоактивного загрязнения в геологической среде - перенос радионуклидов подземными водами, поэтому скорость распространения загрязнения существенным образом зависит от скорости течения подземных вод. Поскольку величина скорости течения подземных вод пропорциональна проницаемости пород, хранилище РАО и ОЯТ следует сооружать в блоках слабопроницаемых пород.
Размеры блоков должны быть достаточными для размещения требуемых объемов, предназначенных для захоронения радиоактивных материалов. Исследования показали, что этим условиям удовлетворяет участок "Енисейский" Нижнеканско-го массива (Красноярский край). Наиболее обоснованная оценка надежности геологического барьера может быть получена из результатов математического моделирования переноса радионуклидов подземными водами при гипотетической утечке радионуклидов из хранилища в результате частичного разрушения инженерных барьеров. Данная работа посвящена анализу течения подземных вод во вмещающих породах в зоне предполагаемого размещения РАО и ОЯТ на участке "Енисейский" и оценке распространения потенциального радиоактивного загрязнения из хранилища методами математического моделирования. Расчеты проводились на основе данных гидрогеологических и геохимических исследований, полученных сотрудниками ОАО "Красноярская горно-геологическая компания" (ОАО "Красноярск-геология") при участии специалистов других организаций.
ОПИСАНИЕ УЧАСТКА
Участок "Енисейский" расположен на правом берегу р. Енисей в районе г. Железногорска. Участок признан перспективным вследствие низкой проницаемости пород [2], отсутствия в непосредственной близости значительных разломов, благоприятной текстуры пород (в которых трещины преимущественно залечены вторичными минералами). В соответствии с требованиями к безопасности захоронения радиоактивных отходов [10] для захоронения РАО и ОЯТ на глубине 450-500 м была предложена площадка на монолитном блоке архейских гнейсов. РАО и ОЯТ предполагается размещать в горизонтальных горных выработках, расположенных на двух горизонтах на глубинах 450 и 475 м. Локальным базисом дренирования для участка является р. Шумиха (в районе расположения участка абсолютная высотная отметка ее уровня з 300 м).
По уровню водонасыщения, проницаемости и условиям течения подземных вод в верхних слоях пород на участке "Енисейский" можно выделить три основных гидрогеологических структурных элемента (сверху вниз):
1) локально водоносный горизонт четвертичных отложений;
2) зону слабопроницаемых трещиноватых ран-неархейских пород;
3) зону слаботрещиноватых раннеархейских пород с ультранизкой проницаемостью.
Следует отметить, что внутреннее пространство пустот, связанных с тектоническими нарушениями, заполнено вторичными минералами и наличие нарушений не влияет на интегральные фильтрационные свойства пород.
Локально водоносные четвертичные породы средней мощностью 15.7±12.5 м не образуют на участке "Енисейский" единый горизонт и их влияние на течение подземных вод в зоне предполагаемого размещения РАО и ОЯТ (450-500 м), по-видимому, незначительно.
Зона слабопроницаемых раннеархейских пород идентифицируется на основании анализа кер-нового материала и данных пакерного опытно-фильтрационного опробования (ОФО) скважин, пробуренных на участке.
Как показывают данные ОФО, в расположенной ниже зоне слаботрещиноватых раннеархейских пород распределение коэффициента фильтрации по глубине неоднородно. На участке предполагаемого размещения РАО и ОЯТ значения коэффициента фильтрации, как правило, не превышают 10-3 м/сут.
ОЦЕНКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Проводившими гидрогеологические и структурно-геологические исследования на участке "Енисейский" специалистами было сделано предположение о том, что течение подземных вод на уровне предполагаемого размещения горизонтальных выработок подземного хранилища РАО и ОЯТ ориентировано преимущественно в горизонтальном направлении. Для оценки справедливости этого предположения была рассмотрена следующая модель.
На участке предполагаемого размещения хранилища методом кригинга [17] было построено распределение уровня подземных вод по значениям, измеренным в наблюдательных скважинах. Это распределение представлено на рис. 1, где х, у - плановые декартовы координаты (осьу направлена с юга на север, а ось х - с запада на восток). Рассмотрим вертикальный разрез верхнего слоя пород, проходящий, как это показано на рис. 1. Можно отметить, что плоскость разреза практи-
чески перпендикулярна всем гидроизогипсам на рис.1. Следовательно, нормальные к плоскости разреза составляющие скорости течения подземных вод можно считать незначительными. Введем в плоскости разреза декартовы координаты следующим образом. Ось 2 направлена вертикально вверх, при этом 2 = 0 соответствует нулевой абсолютной высотной отметке. Ось / горизонтальна и направлена вдоль разреза, показанного пунктирной линией на рис. 1. При этом / = 0 соответствует точке с плановыми координатами х = 15000 м, у = 12529 м (т.е. точкой отсчета на оси / является точка пересечения пунктирной линии с нижней границей области на рис. 1). Согласно имеющимся данным геофизических исследований, изменение упругих свойств пород и трещиноватости с глубиной незначительны в интервале глубин от 150-200 до 1000-1800 м. Принимая во внимание известный характер влияния лито статического давления на проницаемость, можно предположить, что определенная геофизическими методами нижняя граница слоя соответствует границе с породами ультранизкой проницаемости. Рассмотрим область моделирования в профильном сечении, определенную сверху уровнем подземных вод (г = Н8ш{(/)), снизу - уровнем 2 = -500 м, что приблизительно соответствует положению верхней границы пород с ультранизкой проницаемостью. Левая граница области приблизительно соответствует положению зоны водораздела рек Енисея и Шумихи, правая граница - положению р. Шумихи, являющейся локальной дренирующей структурой для участка "Енисейский". Зависимость г = Н8иг{(/) показана на рис. 2. Она определялась частично по распределению уровня подземных вод, приведенному на рис. 1, а за пределами области, показанной на рис. 1, - путем интерполяции от северной границы этой области до р. Шумиха, уровень воды в которой (300 м) определяет уровень подземных вод.
Согласно имеющимся данным, измерения уровня подземных вод, сезонные колебания этого уровня в наблюдательных скважинах незначительны.
Будем полагать, что поле скоростей течения подземных вод в рассматриваемой области вертикального разреза удовлетворяет закону Дарси:
V г = -—I
---77, (1)
к{ др , \ к_ др_
П \ дг I п д/
где V.,, vl - компоненты вектора скорости, р - давление, к - проницаемость пород, п - динамиче-
13800
12600-
14600 14800 15000 15200 15400 15600
х, м
Рис. 1. Уровень подземных вод. Пунктирной линией показано положение профильного сеч
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.