Введение к работе
Актуальность проблемы. С 1951 года и по настоящее время водоем Кара-чай (водоем 9, В-9) является открытым поверхностным хранилищем жидких радиоактивных отходов (ЖРО) ФГУП "ПО "Маяк", не имеющим аналогов в мировой практике по общим запасам радионуклидов На протяжении всего периода эксплуатации водоем Карачай является источником радионуклидного загрязнения объектов окружающей среды и фактором риска потенциальной крупномасштабной радиационной аварии, подобной ветровому уносу радионуклидов 1967 г
Предотвращение крупномасштабных радиационных аварий и дополнительного радиоактивного загрязнения территории включает в себя комплекс технологических и геотехнических задач, направленных на ликвидацию источников риска действующих источников радиоактивного загрязнения С 1986 г ведутся планомерные работы по закрытию акватории водоема. Потенциальный риск радиационной аварии, обусловленный существованием водоема Карачай, а также загрязнение воздушной среды и прилегающих к водоему площадей могут быть исключены только путем консервации самого водоема, реабилитации и обустройства прилегающей к нему территории
Опыт всего периода эксплуатации водоема-хранилища и производства работ по засыпке его акватории позволяет выделить три основные проблемы, которые определяют возможность радиационных аварий:
-
Значительные колебания уровня воды в водоеме на фоне общего роста в последние 15-20 лет
-
Наличие в водоеме высокоактивных техногенных илов, способных к образованию радиоактивных аэрозолей и их ветровому разносу в случае обнажения дна или выталкивания над поверхностью воды при засыпке
-
Поступление радионуклидов из водоема в подземный водоносный горизонт с фильтрационным потоком
Принятый в Росатоме "Комплексный план по решению экологических проблем, связанных с деятельностью "ПО "Маяк" предусматривает окончательное закрытие акватории водоема Карачай и превращение его в приповерхностный могильник (третья очередь проекта консервации водоема В-9) Особенностями сложившейся ситуации является выполнение работ по закрытию акватории В-9 в условиях возрастания частоты лет повышенной водности, наиболее высоких уровней поверхностных и подземных вод за весь период наблюдений, наличия на водоеме системы открытой акватории и значительного объема поровой воды массива засыпки, невозможности немедленного прекращения сброса жидких отходов. Сложность ситуации подчеркивается случаями вынужденного прекращения работ по засыпке акватории вследствие роста уровня водоема (1993-1994, 1999-2003, 2006-2007 гг.) Производство работ по закрытию водоема Карачай и завершению его консервации требует точных знаний о возможной реакции В-9 на воздействие различных техногенных и природных факторов. Для успешной реализации проекта консервации водоема В-9 необходимо понимание особенностей его гидрологи-
ческого режима, учет водного баланса и оценка влияния различных расходных и приходных составляющих баланса на уровень водоема Кроме того, требуются полные данные о качественных и количественных характеристиках техногенных иловьк отложений и суглинках ложа водоема, которые являются основным депо радионуклидов. Распределение техногенных илов В-9 во многом определяет технологию ведения работ по консервации водоема. Сорбционные параметры илов -один из главных факторов, определяющих поступление радионуклидов из водоема в подземный водоносный горизонт
Объектами исследований являлись открытое хранилище ЖРО водоем Ка-рачай, включая компоненты водоема, и приповерхностный водоносный горизонт, определяющий уровенный режим водоема
Главная цель работы — выявление закономерностей гидрологического режима и определение параметров техногенных илов для разработки и обоснования мероприятий, обеспечивающих возможность безаварийного выполнения работ по консервации водоема и дальнейшую эксплуатацию в качестве могильника приповерхностного типа
Основными задачами исследований являлись
-
Изучение значимости техногенного воздействия (доля объемов техногенного поступления в водном балансе, влияние изменения формы котловины вследствие отсыпки берегов, реакция уровня на замену свободного объема пористым массивом засыпки) на фоне природных факторов в структуре водного баланса водоема
-
Исследование распределения мощности техногенных илов по акватории водоема
3. Изучение физических, химических и радиохимических параметров илов
-
Оценка активности радионуклидов, депонированных в илах и их пространственного распределения в современной акваторной (незакрытой) части водоема
-
Определение параметров вымывания (десорбции) радионуклидов при промывании илов чистой природной и засоленной водой (моделирование условий приповерхностного хранилища ЖРО после окончательной консервации В-9 и современного состояния водоема соответственно) для оценки поступления радионуклидов в подземный водоносный горизонт
6. Разработка и обоснование технических решений по консервации водоема Карачай с целью обеспечения безаварийной консервации и эксплуатации хранилища
Фактический материал и методы исследований. Особенности гидрологического режима водоема Карачай изучены на основе результатов многолетних гидрологических, гидрогеологических и метеонаблюдений и водно-балансовых расчетов Фильтрация из водоема В-9 рассмотрена на базе фактического материала, полученного в процессе проведения длительного гидрогеохимического и гидродинамического объектного мониторинга, обобщения данных о геологическом строении участка водоема, а также результатах расчета водного баланса. Исполь-
зованы данные уровенных режимов В-9, других водоемов, естественных озер и подземных вод в регионе. Изучены корреляционные связи рядов данных гидрологических, гидрогеологических и метеонаблюдений
При непосредственном участии автора выполнены обследования водоема В-9 2002 и 2005 гг, проведенные с отбором проб воды, техногенных илов, суглинков ложа и рядом измерений. Выполнен комплекс лабораторных исследований, обобщены и проанализированы результаты химических и радиохимических анализов проб воды, промывных растворов, взвесей и навесок из проб илов и суглинков ложа водоема (49 проб рыхлых донных отложений и взвесей, 173 проб воды и промывных растворов).
Полученные результаты использованы в предложенных автором технических решениях проекта консервации водоема В-9 Ш-й очереди.
Основные защищаемые положения:
-
Выполненные оценки воздействия на гидрологический режим водоема В-9 климатических и техногенных факторов показывают решающую роль климатических факторов в изменении уровня водоема на современном этапе. Среди техногенных воздействий наиболее значимым является замена открытого объема котловины пористым материалом засыпки, что повышает реакцию системы на поступление осадков и других составляющих приходной части, а также снижает фильтрационные характеристики ложа Уровенный режим В-9 аналогичен режиму естественных озер Зауралья
-
Основным депо радионуклидов водоема В-9 являются техногенные илы, содержащие в открытой части водоема 75% общей бета-активности (цезий-137,стронций-90+итгрий-90) и 96% общей альфа-активности (изотопы плутония, америция, урана, кюрия), или 16,6 млн. Ки и 0,67 млн Ки соответственно. Верхняя часть илового слоя, или до 1/2 всего объема илов, представлена жидкими "взвешенными" илами, не требующими обязательных условий создания массива повышенной пористости при консервации для обеспечения безаварийности работ. Вещество "взвешенных" илов аккумулирует до 1/4-1/3 суммарной бета-активности илового слоя водоема В-9.
Получены оценки распределения активности в компонентах водоема и картина пространственного распределения активности в илах
-
Динамика процесса вымывания радионуклидов из техногенных илов водоема В-9 характеризуется повышенным выносом на начальных стадиях, для которых характерно вымывание растворимых форм. Экспериментами показано, что не менее 65-80 % стронция-90, 15-30 % цезия-137, 30 % изотопов урана и трансурановых элементов может быть вымыто из илов и поступить в подземный водоносный горизонт. Опреснение воды после закрытия водоема приведет к снижению поступления из илов стронция-90, цезия-137 и урана (в 2-5 раз) Вынос ТУЭ при этом значимо не изменится.
-
Основой технических мероприятий проекта консервации водоема В-9, необходимых для безопасности завершения работ и эксплуатации на современном и последующем этапах является.
предотвращение возможного радиационного воздействия В-9 при современных повышенных уровнях в условиях многоводного периода (за счет повышения высотных отметок массива засыпки заданной пористости, сооружения глинисто-суглинистого противофильтрационного экрана),
обеспечение стабилизации уровенного режима и снижения поступления естественных составляющих приходной части водного баланса водоема (сооружение нагорного канала и специальных конструкционных слоев массива засыпки, выполнение планировки рельефа окружающей территории)
Результатами специальных обследований водоема В-9 обосновывается достаточность параметров создаваемого массива засыпки для локализации высокоактивных техногенных илов
Научная новизна работы
-
На основе большого объема данных впервые обоснованно показана пер-востепенность естественных факторов для уровенного режима водоема-хранилища ЖРО Карачай Техногенное влияние на гидрологический режим водоема в настоящее время будет проявляться только в случае контрастного воздействия природных факторов (в условиях возрастания частоты лет повышенной водности)
-
Показано, что в настоящее время первостепенное значение для безаварийной консервации водоема В-9 и дальнейшей эксплуатации создаваемого могильника имеют мероприятия, направленные на стабилизацию уровенного (гидрологического) режима на участке водоема
3 Впервые выполнено комплексное изучение компонентов водоема-
хранилища Карачай определено распределение и запасы радионуклидов в основ
ных компонентах, рассмотрены формы нахождения радионуклидов в техногенных
илах, установлены особенности распределения и радионуклидного загрязнения
техногенных илов. Выявлены приуроченность 1/4-1/3 всей активности, депониро
ванной в иловом слое, к верхней легкоподвижной (взвешенной) его части, не соз
дающей угрозы аварии с подъемом над поверхностью воды при засыпке Получе
на детальная картина распределения радионуклидов в донных отложениях.
4 Впервые изучен процесс вымывания радионуклидов из верхней части
илового слоя. Определены коэффициенты десорбции и общее количество вымы
ваемых радионуклидов для различного солевого состава воды Показано значи
тельное снижение выносимой активности для всего илового слоя после вымыва
ния водорастворимых форм
-
Подтверждена правильность основных технических решений проектов I-ой, Н-ой очереди консервации водоема В-9 На основе изучения влияния основных режимообразующих факторов предложены технические решения проекта Ш-ей очереди консервации
-
Показано, что на завершающей стадии работ по закрытию акватории водоема Карачай определяющим фактором безаварийности работ станет обязательное создание массива засыпки повышенной пористости
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в организации и проведении всех видов работ, результаты которых приведены в диссертации Основной объем материалов собран, проанализирован и обобщен
тации. Основной объем материалов собран, проанализирован и обобщен автором лично. Он является автором технических решений по консервации, представленных в диссертационной работе. Все экспериментальные работы выполнены под руководством и при непосредственном участии автора
Практическая значимость. Результаты исследований позволили обосновать основные проектные решения третьей очереди работ по консервации водоема В-9 Актом "О внедрении разработанных технических решений" исх № ЦЛ/5603 от 0912 2004 г. комиссией из представителей ФГУП "УГПИИ "ВНИПИЭТ", ФГУГП Тидроспецгеология" и ФГУП "ПО "Маяк" подтвержден факт полной реализации разработанных технических решений в проекте Ш-ей очереди "Консервации водоема В-9" (ФГУП "УГПИИ "ВНИПИЭТ", 2004 г) Проект получил положительное заключение Государственной экологической экспертизы (приказ Ростехнадзора № 271 от 04.05 2005) и утвержден в Росатоме (протокол № 27) Радиационная безопасность современных работ по консервации водоема и последующая эксплуатация могильника приповерхностного типа, сооружаемого на его месте, обеспечивается выполнением разработанных мероприятий, приведенных в данной диссертации.
Результаты НИОКР 2005 г. (по теме "Опытная проверка технических решений проекта Ш-ей очереди консервации водоема Карачай. Выполнение комплекса измерений и водно-балансовых расчетов для системы водоема Карачай в его современном состоянии") подтвердили справедливость полученных выводов и технических решений Уточнение данных о слое плотных илов показало возможность засыпки оставшейся акватории скальным грунтом с сооружением массива проектной пористости.
Данные экспериментальных исследований техногенных илов водоема Карачай будут использованы
при оценке вторичного загрязнения подземных вод в результате перехода радионуклидов из твердой фазы в жидкую как в условиях повышенной солености, так и при последующем опреснении (обессоливании) воды хранилища;
при моделировании поступления радионуклидов из хранилища в подземный водоносный горизонт для долгосрочного прогноза миграции радионуклидов в подземных водах.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены и обсуждены на Международной конференции "Воздействие атомных электростанций и других радиационно-опасных объектов на гидрологический цикл и водные ресурсы" (Обнинск, 1996), конференции молодых специалистов ЦЗЛ ПО "Маяк" (Озёрск, 1997), 4-ом Международном симпозиуме "Environmental Contamination in Central and Eastern Europe" (Варшава, 1998), конференции Американского ядерного общества "Spectrum '98" (Ла Гранж, Иллинойс, 1998), 2-ом семинаре НКК МНТЦ "Реабилитация больших территорий (Снежинск, 1999), ежегодной международной конференции Американского института гидрологии "Atmospheric, Surface and Subsurface Hydrology and Interactions" (Северная Каролина, 2000), 5-ой объединенной конференции "Environmental Hydrology and Hydrogeology" (Сан-Франциско, 2002), Международной научно-практической конференции "Техно-
генная трансформация геологической среды" (Екатеринбург, 2002), 4-ой Российской конференции "Радиохимия-2003" (Озерск, 2003), Международном научном семинаре (Миасс, оз. Тургояк, 2006), 5-ой Российской конференции по радиохимии (Дубна, 2006)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, из них статей в специализированных изданиях - 8, тезисов докладов на российских и международных семинарах, конференциях и симпозиумах -11
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введе
ния и заключения, изложенных на 165 страницах текста, включая 60 рисунков, 32
таблицы Библиография содержит 81 наименование t
