Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования закономерностей загрязнения окружающей среды в результате утечки радионуклидов из хранилища жидких радиоактивных отходов: на примере Нововоронежской АЭС

Актуальность темы

.

В современную эпоху быстрого развития производительных сил и технического прогресса, определяемого научно-технической революцией, проблема взаимодействия общества и природы становится чрезвычайно актуальной. Человечество вступило в фазу массированного (глобального) воздействия на окружающую среду. В этих условиях задача оптимизации хозяйственной деятельности, в сущности, перерастает в проблему существования человека на Земле.

Энергетические предприятия (топливно-энергетический комплекс вообще) по степени влияния на природную среду принадлежат к числу наиболее интенсивно воздействующих антропогенных факторов.

Ядерная энергетика занимает существенное место в общей структуре энергопроизводства. Число действующих ядерных энергоблоков в мире увеличилось к концу 2004 года до 441, а их суммарная электрическая мощность составила 354,121 ГВт (нетто). Выработка электроэнергии на энергоблоках АЭС концерна «Росэнергоатом» достигла примерно 15% выработки электроэнергии на всех электростанциях России.

Таким образом, ядерная энергетика сформировалась в крупную отрасль энергетического производства, которая в будущем способна обеспечить потребности народного хозяйства в энергии на длительное время.

Однако, говоря о необходимости и возможности дальнейшего развития ядерной энергетики, следует учитывать, что она имеет право на свое существование только при условии обеспечения безопасности персонала, населения и окружающей среды. Без учета этого факта невозможно прогнозировать дальнейшее развитие ядерной энергетики.

Как известно, в режиме нормальной эксплуатации отечественные атомные станции являются экологически чистыми производствами, а создаваемый ими радиационный риск для населения является безусловно приемлемым (менее 10″ 6 год'1).

Проблема дальнейшего развития ядерной энергетики состоит в том, что в настоящее время и обозримое будущее не представляется возможным полностью исключить вероятность радиационных аварий на АЭС.

Согласно доминирующим современным представлениям наиболее опасным путем радиоактивного загрязнения окружающей среды в случае радиационной аварии на АЭС является атмосферный путь переноса радионуклидов. Эта точка зрения в полной мере находит свое отражение в отечественных документах, обосновывающих безопасность проектируемых и действующих АЭС. В практике национальных и международных противоаварийных учений и тренировок, в основном, учитывается атмосферный путь радиоактивного загрязнения окружающей природной среды.

Значительно меньшее внимание уделяется оценке радиоактивного загрязнения окружающей среды за счет возможных утечек жидких радиоактивных отходов (ЖРО) за пределы станции и их поступления в грунтовые и поверхностные воды. Прогнозирование радиационного состояния поверхностных гидросистем и хозяйственно-бытовых водозаборов при аварийных утечках ЖРО из хранилищ жидких радиоактивных отходов (ХЖО), промышленных коммуникаций и бассейнов выдержки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) проводится, в основном, при выборе площадки расположения АЭС.

Возможно, такой подход оправдан для стран, в которых принята иная, чем в России, практика обращения с радиоактивными отходами. Так, например, на АЭС западных стран твердые радиоактивные отходы (в том числе отвержденные ЖРО) не хранятся на территории атомной станции, а транспортируются на захоронение в региональные могильники. Обеспечению безопасности при хранении и захоронении радиоактивных отходов в этих странах уделяется исключительно большое внимание.

Абсолютизация «воздушного» пути не является такой уж бесспорной истиной при обосновании безопасности российских АЭС, на территории которых десятки лет существуют хранилища радиоактивных отходов, являющиеся потенциальными источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Хранение радиоактивных отходов сопряжено с проблемой выхода радионуклидов в окружающую среду и возможного облучения населения. Такие инциденты практически постоянно происходят, отличаясь только масштабом загрязнения территорий. Самым значительным событием в этом плане была авария на ПО «Маяк» в 1957 г., когда произошел взрыв ХЖО. Тогда радиоактивному загрязнению подверглась большая территория, расположенная в Челябинской и Свердловской областях, на которой проживало около 360 тысяч человек [1]. Авария на ПО «Маяк» сопровождалась атмосферным выбросом радионуклидов, однако чаще всего при инцидентах на хранилищах как жидких, так и твердых радиоактивных отходов происходит загрязнение подземных (грунтовых) вод.

Из анализа многолетнего опыта эксплуатации зарубежных и отечественных радиационных объектов (в том числе АЭС) можно сделать вывод, что утечки ЖРО из ХЖО при длительном их хранении на территории этих объектов не являются редким событием. Именно такой инцидент произошел на ХЖО-2 Нововоронежской АЭС (НВАЭС) в 1985 г.

Тем не менее, в литературе практически полностью отсутствует информация о результатах исследования радиационных последствий фактических утечек ЖРО из хранилищ радиоактивных отходов в окружающую среду, что не позволяет получить объективную оценку безопасности хранения жидких радиоактивных отходов и принимать научно-обоснованные решения по минимизации радиационных последствий утечек ЖРО для персонала, населения и окружающей среды.

Цели и задачи исследования.

Целями настоящей работы является:

1 Определение причин утечки ЖРО из ХЖО-2, анализ мероприятий по ее локализации и оценка количества радионуклидов, поступивших в окружающую среду.

2 Анализ радиационной обстановки в зоне влияния утечки ЖРО из ХЖО-2 НВАЭС, обоснование объема и периодичности радиационного контроля.

3 Расчетно-теоретические исследования переноса 60Со с грунтовыми водами от ХЖО-2 к р. Дон, распространения этого радионуклида в реке и облучения населения, связанного с поступлением 60Со в р. Дон.

4 Исследование эффективности гидрогеологических и геохимических защитных барьеров и инженерных сооружений, препятствующих распространению радионуклидов из ХЖО-2 в р. Дон.

5 Оценка эффективности реабилитационных мероприятий в зоне влияния утечки ЖРО из ХЖО и разработка рекомендаций по реабилитационным работам на атомных станциях концерна «Росэнергоатом» .

Объект и предмет исследования.

При эксплуатации атомных станций образуются газообразные, твердые и жидкие радиоактивные отходы. В развитых странах радиоактивные отходы, образующиеся на АЭС, захораниваются в специальных могильниках, жидкие отходы до захоронения отверждаются, тем не менее, в этих странах проблема обращения с РАО стала основным фактором, сдерживающим развитие атомной энергетики. В России же РАО хранятся в хранилищах твердых и жидких отходов (ХТРО и ХЖО), которые обычно располагаются на промплощадке АЭС.

Главной задачей при обращении с РАО является обеспечение радиационной безопасности населения. В соответствии с ОСПОРБ-99, эффективная доза облучения населения, обусловленная радиоактивными отходами, включая этапы хранения и захоронения, не должна превышать 10 мкЗв/год. Дополнительное облучение населения при обращении с РАО может быть реализовано только в случае поступления радиоактивных веществ за пределы хранилищ.

Предметом исследований настоящей диссертационной работы является изучение радиационных последствий утечки ЖРО за пределы ХЖО АЭС на примере инцидента на.

Нововоронежской АЭС в 1985 г. [2].

Методологическая и теоретическая основа исследования.

При проведении исследований использованы экспериментальные и расчетно-теоретические результаты работ отечественных и зарубежных авторов по вопросам миграции радионуклидов с грунтовыми водами, геохимических процессов взаимодействия радионуклидов с грунтами и переноса радионуклидов в водных системах, формирования радиационной обстановки в результате утечки радионуклидов за пределы радиационных объектов.

Теоретической основой исследований являются статистические методы обработки результатов наблюдений, модель миграции 60Со в водоносном горизонте, учитывающая геохимические процессы сорбции и трансформации ионов кобальта, модель распространения 60Со в р. Дон, учитывающая процессы нестационарной десорбции 60Со из взвеси в раствор.

Результаты экспериментальных исследований получены на основе использования метрологически аттестованных методик выполнений измерений и средств измерений.

Информационную базу исследований составляют результаты выполнения «Регламента комплексного контроля участка радиоактивного загрязнения в районе ХЖО-2 НВАЭС» специалистами НВ АЭС, а также результаты специальных полевых и лабораторных исследований, полученных Комплексной экспедицией ВНИИАЭС, ГНЦ — Институт биофизики и НПО «Тайфун» (руководитель Иванов Е.А.).

Научная новизна исследования.

1 Впервые реализован комплексный подход к ретроспективной, современной и прогнозной оценкам радиационных последствий утечки ЖРО из ХЖО на примере инцидента на Нововоронежской АЭС (1985 г.).

2 Впервые в России при проведении исследований использованы экспериментальные и расчетно-теоретические результаты работ отечественных и зарубежных авторов по вопросам миграции радионуклидов с грунтовыми водами, учитывающие геохимические процессы трансформации ионов 60Со, а также переноса радионуклидов в водных системах и формирования радиационной обстановки в результате утечки радионуклидов за пределы радиационных объектов.

3 При выполнении работы получены следующие новые результаты:

— оценено поступление долгоживущих радионуклидов (60Со, 90Sr,, 34Cs и l37Cs) в зону аэрации ХЖО-2 на основе анализа причин утечки ЖРО из ХЖО-2;

— оценена эффективность мероприятий по локализации последствий утечки ЖРО из ХЖО-2;

— выявлены закономерности миграции 60Со с грунтовыми водами к местам разгрузки и его переноса в р. Дон;

— оценена эффективность природных и техногенных защитных барьеров на пути распространения радиоактивных веществ с грунтовыми водами;

— обоснованы рекомендации по объему и периодичности радиационного контроля в зоне влияния утечки ЖРО из ХЖО-2;

— оценена радиационная обстановка в зоне влияния утечки ЖРО из ХЖО-2;

— обоснованы реабилитационные мероприятия в зоне влияния утечки ЖРО из ХЖО-2.

Практическая значимость работы.

Приведенные в диссертационной работе результаты были использованы в материалах по обоснованию и выполнению «Плана мероприятий по дальнейшей реабилитации участка радиоактивного загрязнения в районе сбросного канала 1, 2 энергоблоков санитарно-защитной зоны и ХЖО-2 Нововоронежской АЭС», утвержденного концерном «Росэнергоатом». Практическая ценность работы состоит в том, что использование приведенных в диссертации результатов позволило обеспечить эффективное проведение реабилитационных мероприятий в зоне влияния утечки ЖРО из ХЖО-2 НВАЭС (исключены необоснованное облучение персонала и случайное облучение населения, снижено поступление радионуклидов в водные системы с разгружающейся загрязненной грунтовой водой).

В диссертационной работе сделан важный практический вывод об особом влиянии водно-химического режима (присутствие комплексообразователей) в случае утечки ЖРО на способность радионуклидов к ускоренной миграции в зоне аэрации и водоносном горизонте.

Разработан и обоснован «Регламент комплексного контроля участка радиоактивного загрязнения в районе ХЖО-2 НВАЭС» .

Приведенные в диссертации результаты комплексной оценки радиационных последствий утечки ЖРО из ХЖО-2 НВАЭС являются исходной информацией для обоснования безопасности действующих и проектируемых хранилищ радиоактивных отходов АЭС концерна «Росэнергоатом» проектными, научно-исследовательскими и изыскательскими организациями. В диссертации обосновано предложение о внесении изменений в проект строительства энергоблока № 6 НВАЭС.

На основе полученных в диссертации результатов была подготовлена и регулярно направлялась справочная документация в адрес органов государственной власти, местного самоуправления, надзорных органов, общественных организаций, средств массовой информации и т. д. с информацией о радиационно-гигиенической обстановке в зоне влияния утечки ЖРО.

На защиту выносятся:

Выводы по главе.

1. Для обеспечения эффективности реабилитационных работ на НВАЭС изучен и обобщен отечественный и зарубежный опыт реабилитации загрязненных территорий и отдельных объектов.

Наибольший прогресс в реабилитации территорий и объектов достигнут в США. Департамент энергии США разрабатывает масштабные, научно обоснованные реабилитационные программы, проводит разработку более совершенных методов реабилитации и выполняет реабилитационные работы. Основное внимание уделяется реабилитации оборонных предприятий, например, Хэнфорду. Но, несмотря на большой объем реабилитационных работ, на высвободившихся территориях Хэнфорда грунтовые воды исключены из водопользования на неопределенное время.

2. В России имеется достаточное количество законов и других нормативных документов, регламентирующих реабилитацию территорий и объектов. В России было принято и принимается много федеральных и иных программ, включающих реабилитационные работы.

Однако, эффективность российских реабилитационных программ оказывается крайне незначительной. Это связано с недостаточным финансированием программ и с отсутствием научного обоснования реабилитационных мероприятий. Например, в России, в отличии от Хэнфорда, на аналогичном предприятии — ПО «Маяк» реабилитационные работы до сих пор не привели к реальному улучшению радиационной обстановки.

3. Реабилитационные мероприятия на НВАЭС, связанные с инцидентом на ХЖО-2, проводились в 2 этапа. На первом этапе, основное внимание уделялось реабилитации окружающей среды в пределах промлощадки и реабилитации самого хранилища. На втором этапе, начиная с 2000 г., реабилитационные работы проводились в санитарно-защитной зоне и на ХЖО-2.

4. В конце 1986 был извлечен грунт на глубину до 6 м вдоль западной стороны ХЖО-2, с.

137 грунтом извлечено около 1,1 ТБк (30 Ки) Cs, что составляет не более 10% вышедшего из хранилища 137Cs.

5. С октября 1986 г. по февраль 1991 г. производилась откачка грунтовых вод из скважин №№ 34, 61, 102, откачено около 40 000 мЗ воды. За время откачки всего извлечено ~ 8,7 ТБк (240 Ки) 60Со, т. е. менее 20% вышедшего из хранилища 60Со. Если бы откачка проводилась сразу после инцидента, то согласно расчетам, можно было бы откачать до 90% вышедшего в водоносный горизонт 60Со.

5. В 1993;1998 гг. на НВАЭС выполнен ряд мероприятий, направленных на предотвращение неконтролируемых утечек ЖРО из ХЖО-2 в будущем:

— прекращен сброс кубового остатка в ХЖО-2, емкости А-01/1,2,3,4,7,8 освобождены от растворов, в настоящее время в них содержится только солевой продукт;

— в приямке № 12 установлен дополнительный приямок (стакан) и организована автоматическая откачка жидкости из него;

— поверх грунтовой обваловки здания ХЖО-2 выполнена дополнительная гидроизоляция;

— дренажная система вокруг ХЖО-2 признана неэффективной и засыпана.

7. К 2001 г. силами НВАЭС были проведены мероприятия по снижению негативного воздействия локального загрязнения на окружающую среду, в том числе:

— ограничен проезд автотранспорта к сбросному каналу первой очереди НВАЭС;

— выполнено временное ограждение территории вокруг устья сбросного канала с организацией поста спецконтроля;

— удалена древесная растительность с береговой линии сбросного канала;

— проведено подробное радиометрическое обследование территории санитарно-защитной зоны.

8. К 2003 г. была выполнена дополнительная гидроизоляция покрытия ХЖО-2, оценка эффективности этого мероприятия показала, что гидроизоляция может уменьшить поступление загрязнителей в р. Дон в 10 раз.

9. Выполнено ограждение территории в районе сбросного канала и береговой насосной станции, что исключает случайное облучение персонала и населения.

10. Проведено экранирование донных отложений устья сбросного канала грубообломочным материалом. Среднее значение мощности дозы гамма-излучения на реабилитированной территории находится в пределах от 0,1 мкЗв/ч до 0,4 мкЗв/ч, а максимальное значение МД составляет 1,0 мкЗв/ч, что значительно ниже допустимого значения этой величины в СЗЗ АЭС (2,5 мкЗв/ч).

11. На основе проведенных исследований и выполненных реабилитационных работ разработаны рекомендации по реабилитации хранилищ жидких радиоактивных отходов и загрязненных объектов окружающей среды на атомных станциях концерна «Росэнергоатом» .

12. Для обоснования проведения реабилитационных работ на атомных станциях концерна «Росэнергоатом», а также для принятия обоснованных решений при обращении с радиоактивными отходами разработаны рекомендации по оценке безопасности хранилищ жидких и твердых отходов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты и выводы:

1 Выполнен детальный анализ причин инцидента на НВАЭС в 1985 г. Показано, что основными причинами утечки ЖРО из ХЖО-2 являются: недостатки проекта (не был предусмотрен непрерывный контроль за уровнями растворов в емкостях ХЖО, а также контроль протечек из них) — изменение технологической схемы откачки приямка № 12 без согласования с Генпроектировщиком, ошибка персонала.

2 Получено, что утечка ЖРО в грунт за пределы ХЖО-2 в 1985 г. составила около 480 м³. Активность 60Со, вышедшая за пределы ХЖО-2, составила около 76 ТБк (2050 Ки), 134Cs — 1,3 ТБк (35 Ки), wCs — 15 ТБк (390 Ки), 90Sr — менее 0,04 ТБк (менее 1 Ки). Вследствие сорбции грунтами радионуклиды 90Sr, 134Cs и Cs локализованы вблизи ХЖО-2, а 60Со, находившийся в ЖРО в виде несорбирующегося анионного комплекса с трилоном Б (EDTA), мигрировал с грунтовыми водами, что привело к загрязнению окружающей среды в районе расположения НВАЭС.

3 Получены следующие основные экспериментальные результаты по загрязнению окружающей среды, связанные с инцидентом на ХЖО-2:

60Со в грунтовых водах с удельной активностью выше 10-УВ (410 Бк/кг) прослеживается от ХЖО-2 до р. Дон (расстояние около 700 м), максимальная активность 60Со в водоносном горизонте до сих пор наблюдается вблизи ХЖО-2;

— разгрузка загрязненных 60Со грунтовых вод в поверхностную гидросеть происходит в устье сбросного канала, непосредственно в р. Дон выше устья канала, в отводной канал на рыбхоз, в сбросной канал как выше, так и ниже каскадного водосброса;

— общее поступление 60Со в поверхностные воды, а, следовательно, и в р. Дон, не превышает 7,4−1010 Бк/год (2 Ки/год), что значительно меньше допустимого сброса, равного 6,2-Ю11 Бк/год (17 Ки/год);

— в р. Дон на взвеси и в донных отложениях 60Со регистрируется на расстоянии до 280 км, а в растворе — до 15 км (активность 60Со в воде не превышает 1 Бк/л), влияния утечки ЖРО из ХЖО-2 (1985 г.) на радиоактивное загрязнение Цимлянского водохранилища не обнаружено;

— загрязнение 60Со донных отложений выше уровня МЗУАс0-бо (Ю4 Бк/кг) произошло в устье сбросного канала, а также в отдельных точках канала на рыбхоз, в русле р. Дон выше и ниже устья сбросного канала активность донных отложений меньше МЗУА.

4 На основе полевых экспериментальных работ разработан и обоснован «Регламент комплексного контроля участка радиоактивного загрязнения в районе ХЖО-2 НВАЭС», проводится ежегодная корректировка «Регламента.» .

5 Для исследования последствий утечки ЖРО и особенностей загрязнения окружающей среды проведены расчеты миграции 60Со с грунтовыми и поверхностными водами с помощью моделей, разработанных в ГНЦ-ИБФ и НПО «Тайфун». Для расчета облучения населения использовалась разработанная в США модель GENII. Получены следующие результаты:

— определены основные пространственно-временные особенности миграции 60Со от ХЖО-2 в р. Дон с грунтовыми водами, вначале (с 1990 г) 60Со поступал в реку выше устья сбросного канала, это поступление не было обнаружено НВАЭС, с 1995 г началось поступление 60Со в устье сбросного канала, что было обнаружено НВАЭС по загрязнению водорослей;

— по временным вариациям потока 60Со в р. Дон рассчитано облучение населения, получено, что за все время, прошедшее с момента инцидента (1985 г), не было превышения дозовых нагрузок на население по сравнению с пределами, установленными действовавшими и действующими нормативными документами. Рассчитанные эффективные дозы за все время поступления кобальта-60 в р. Дон меньше предела 10 мкЗв/год, расчеты совпадают с экспериментальной оценкой дозовых нагрузок на население.

— установлены геохимические процессы, определяющие миграцию 60Со в водоносном горизонте: присутствующий в ЖРО несорбирующийся комплексный анион Co" EDTA2' при взаимодействии с гидроокисью железа трансформируется в сорбирующийся катион Со2+, характерное время этого процесса составляет 5−10 лет, на основании учета процесса трансформации были количественно объяснены основные особенности распределения 60Со в водоносном горизонте.

— получено, что до 70% активности 60Со, поступающей в р. Дон, может выноситься в Цимлянское водохранилище, в этом случае, в соответствии с принятым сценарием выхода 60Со в р. Дон, суммарное поступление этого радионуклида в водохранилище составляет около 1,4 ТБк (38 Ки).

6 Выявлено, что слабопроницаемые суглинки в водоносном горизонте, а также каналы между ХЖО-2 и р. Дон являются гидрогеологическими барьерами на пути миграции 60Со в р.Дон. Трансформация анионной формы 60Со в катионную форму может рассматриваться, как геохимический барьер. С помощью модели миграции 60Со с грунтовыми водами выполнена оценка эффективности этих барьеров, получено, что наличие рассмотренных барьеров уменьшило суммарное поступление 60Со в р. Дон более, чем в 10 раз (суммарное поступление 60Со в р. Дон за 20 лет по расчетам составляет около 2 ТБк (54 Ки).

7 На основе расчетов и экспериментальных данных обосновано предложение о внесении изменений в проект строительства энергоблока № 6 НВАЭС: трубопровод от береговой насосной станции к энергоблоку следует направить, минуя зону влияния утечки ЖРО из ХЖО-2.

8 На основе комплексного анализа радиационной обстановки в зоне влияния утечки ЖРО из ХЖО-2 разработаны и обоснованы рекомендации по реабилитации радиоактивно загрязненной территории, внедрение которых позволило практически исключить необоснованное облучение персонала и случайное облучение населения, снизить поступление радионуклидов в водные системы (пруды рыбхоза «Нововоронежский» и р. Дон) с разгружающейся загрязненной грунтовой водой.

9 Для обоснования проведения реабилитационных работ на атомных станциях концерна «Росэнергоатом», а также для принятия обоснованных решений при обращении с радиоактивными отходами разработаны рекомендации по оценке безопасности хранилищ жидких и твердых отходов.