Охрана подземных вод от радиоактивных загрязнений

Требования к устройству пунктов захоронения жидких радиоактивных отходов и к режиму их эксплуатации

При оценке санитарной надежности захоронения жид­ких радиоактивных отходов в поглощающие горизонты, кро­ме определения распространения в подземных водах радио­активных веществ, в ряде случаев может еще возникнуть необходимость прогнозирования еще следующих явлений:

А) Повышения уровня грунтовых вод или пластового давления в поглощающих напорных горизонтах, вызванного закачкой жидких отходов.

Б) Разогрева горных пород и растворов вблизи погло­щающих устройств под влиянием распада радиоактивных веществ.

В) Взаимодействия удаленных растворов с горными по­родами и природными подземными водами вследствие появ­ления химических реакций и реакций радиолиза с образо­ванием газообразных или других нежелательных веществ.

Вопросы прогнозирования повышения уровня подземных вод под влиянием работы водозаборных или поглощающих сооружений освещаются во многих гидрогеологических ра­ботах (Г. Н. Каменский, 1943; С. К- Абрамов, 1955; Н. В. Щелкачев, 1959; В. М. Шестаков, 1961; Н. Н. Бин - деман, 1963, и др.), поэтому считаем возможным не останав­ливаться на них.

В зависимости от количества удаляемых растворов и во­доприемной способности напорного (артезианского) гори­зонта закачка этих растворов может происходить без созда­ния давлений выше поверхности земли (самотеком) или при нагнетании растворов под давлением, превышающим уро­вень поверхности земли. Однако большое повышение уровня подземных вод значительно осложняет процесс закачки жид­ких отходов в напорные горизонты. При ненадежной водо­упорной кровле или подошве увеличивается опасность про­никновения загрязненных вод из поглощающего горизонта в другие водоносные горизонты, а когда пластовое давление превышает уровень поверхности земли, то возникают усло­вия для прорыва заканчиваемых растворов и загрязненных подземных вод на указанную поверхность через стволы, межтрубные и затрубные пространства поглощающих, на­блюдательных и разведочных скважин. Это еще более усу­губляется в том случае, если на участке удаления отходов имеется не одна, а несколько поглощающих скважин, рабо­тающих в условиях взаимодействия. Следовательно, нагне­тание радиоактивных растворов под давлением выше по­верхности земли может только осуществляться в горизонты, надежно перекрытые водоупорными породами.

Создание пластового давления выше поверхности земли при закачке радиоактивных растворов в напорные водонос­ные горизонты затрудняет также производство ремонтных работ по восстановлению приемистости скважин, так как при открытии устья этих скважин - может происходить самоизлив растворов и загрязненных вод. Указанный само­излив будет продолжаться до тех пор, пока упругость воды и пород в поглощающем горизонте не снизится до уровня поверхности земли.

Когда поглощающие скважины работают с уровнем рас­творов ниже поверхности земли (самотеком), то условия работы этих скважин более простые и менее опасные. По­этому такому водному режиму работы поглощающих сква­жин следует отдавать предпочтение.

Прогноз повышения температуры пород и удаленных ра­диоактивных растворов вследствие выделения энергии рас­пада радиоактивных веществ является слабо разработанной и сложной задачей. Трудность решения ее обусловлена тем, что на повышение температуры пород и находящихся в них растворов оказывают влияние не только энергия радиоак­тивного излучения, но и другие явления: теплообмен внутри загрязненной зоны водоносного горизонта, интенсивность теплоотдачи в участки, окружающие эту зону, перенос тепла растворами, движущимися в породах от поглощающих уст­ройств, и т. д. Для того чтобы количественно учесть влияние всех этих явлений, необходимы в каждом отдельном случае составление сложной расчетной схемы и разработка ее ма­тематического решения. Так, например, для условий посто­янного удаления жидких радиоактивных отходов в погло­щающую скважину Е. Д. Мальцевым, Ф. П. Юдиным, В. С. Шаминым и П. Ф. Долгих (1962) предложены методы определения температурного поля. Эта задача рассматрива­ется авторами без учета концентрации радиоактивных ве­ществ вследствие сорбции их на водовмещающих породах. Расчет числового примера, выполненный указанными авто­рами, показал, что повышение температуры в рабочем гори­зонте вблизи поглощающей скважины имеет выравненный характер по мощности горизонта с резким уменьшением температуры у его кровли и подошвы (рис. 45). Используя указанный характер распределения температур в рабочем поглощающем горизонте, для получения ориентировочных данных повышения температуры в поглощающем горизонте можно предложить упрощенную расчетную схему. По этой схеме получаются заведомо завышенные данные, что обе­спечивает более высокую степень безопасности при прогно­зировании возможности возникновения нежелательных по­следствий.

В предлагаемой упрощенной схеме рассматривается изо­лированный объем водоносного горизонта, разогревающийся под влиянием энергии бета-распадов и гамма-квантов, излу­чаемых радиоактивными веществами, без рассеивания гам­ма-квантов и теплоотдачи в окружающие участки, а также без уноса тепла движущимися растворами и подземными во­дами. Значит, в этой схеме разогрев пород и удален­ных в них растворов главным образом зависит от концентра­ции радиоизотопов, энергии бета-распадов и гамма-квантов.

В табл. 47 приведены данные о средней энергии бета - распадов и гамма-квантов продуктов деления, обычно со­держащихся в жидких радиоактивных отходах.

Из табл. 47 видно, что наибольшую энергию бета-рас­пада и гамма-квантов имеет родий-106, образующийся при распаде рутения-106, с которым он находится в равновесии. Но рутений-106 имеет относительно небольшой период по­лураспада и очень плохо сорбируется горными породами. Поэтому он не может дать больших концентраций родия-106 вблизи поглощающих устройств, а следовательно, и заметно влиять на повышение температуры пород и удаленных рас­творов.

Относительно значительная суммарная энергия бета-рас­пада отмечается у стронция-90 и иттрия-90, находящихся в равновесии друг с другом, а также у церия-144 с празеоди­мом-144. На разогрев пород и удаленных растворов может также оказывать существенное влияние содержание це - зия-137. Этот радиоизотоп хотя и имеет мягкое бета-излуче­ние, но дочерний его продукт барий-137 характеризуется жесткой энергией гамма-квантов.

Остальные радиоизотопы, указанные в табл. 47, по энер - ги бета-распадов и гамма-квантов, а также по величине пе­риода полураспада могут иметь лишь подчиненное значение.

При удалении жидких радиоактивных отходов в погло­щающие горизонты следует рассматривать два периода ра­зогрева пород и находящихся в них растворов.

Первый период охватывает время, в течение которого производятся работы по спуску жидких отходов в поглощаю­щие устройства. В этом периоде в участках горизонта, при­мыкающих к указанным устройствам, содержание радиоак­тивных изотопов остается постоянным, так как новые пор­ции отходов, все время насыщая породы этими изотопами, компенсируют в них радиоактивный распад ранее накопив­шихся изотопов.

Второй период наступает после прекращения спуска жид­ких радиоактивных отходов в поглощающий горизонт. Вследствие отсутствия постоянного поступления отходов со­держание радиоизотов в породах и в удаленных растворах постепенно уменьшается благодаря их радиоактивному рас­паду.

По предлагаемой упрощенной расчетной схеме повыше­ние температуры в рабочем горизонте вблизи поглощающей скважины при удалении в нее жидких радиоактивных от­ходов может быть определено следующими уравнениями:

А) в первом периоде:

Л-Г? = —ъсш (l - f J-) (Еч - f nLE.{i)- (VII-1) С в + ~ с, г

Б) во втором периоде:

Л7Ц = —-®4- ■ Е(і + (Ей +

С в \ ~ Сп

{ _ °'693<П

+ nfE7/) (l — е Ti j, (Vll-2)

Где:

AT® — повышение температуры в первом периоде;

ДГд — то же во втором периоде;

H — время от начала первого периода;

T-i — то же от начала второго периода;

8 — объемный вес водовмещающей породы;

Р — общая пористость водовмещающей породы;

Сд — теплоемкость воды в килокалориях на 1 л;

Сп — теплоемкость водовмещающей породы в килокалориях на 1 кг;

C0i — исходная концентрация в удаляемом растворе каждого радиоизо­топа в кюри/л;

Hi — распределительное отношение каждого радиоизотопа:

ЕЬІ — средняя энергия бета-распада у каждого радиоизотопа в Мэв;

Е і — средняя энергия одного гамма-кванта у каждого радиоизотопа в Мэв;

Щ — выход гамма-квантов на один распад у каждого радиоизотопа;

Ті — период полураспада каждого радиоизотопа.

Одним из главных условий устранения нежелательных реакций взаимодействия удаленных жидких радиоактивных отходов с породами и природными водами поглощающе­го горизонта является соблюдение их химической совмести­мости.

При выполнении этого условия можно избежать образо­вания газообразных и других веществ, обусловливающих возникновение явлений, затрудняющих безопасную работу поглощающих устройств.

Подземные воды в преобладающем большинстве имеют активную реакцию, близкую к нейтральной, поэтому и уда­ляемые жидкие радиоактивные отходы должны быть перед спуском нейтрализованы. Если в поглощающий горизонт, сложенный породами, содержащими карбонаты, будут уда­ляться отходы с кислой реакцией, то это приведет к интен­сивному образованию углекислого газа. Наоборот, удаление отходов с сильно щелочной реакцией может вызвать возник­новение коллоидов, что тоже весьма нежелательно, так как коллоиды могут кальматировать рабочую часть поглощаю­щего устройства и уменьшать ее поглотительную способ­ность.

Большое количество сероводорода будет образовывать­ся при удалении жидких отходов, содержащих органические соединения, в поглощающий горизонт, вода которого имеет повышенное содержание сульфатов. Газообразование в по­глощающем горизонте может возникнуть и при удалении жидких отходов, содержащих повышенные количества ни­тратов, вследствие жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий, присутствующих в природных подземных водах или в самих жидких отходах. В этом случае в поглощающем горизонте будет накапливаться азот. Как указывалось в гла­ве III, в природных подземных водах обитают и другие бак­терии (гнилостные, десульфурирующие, образующие метан, и др.), которые при поступлении с отходами соответствую­щих питательных химических веществ могут тоже образо­вывать различные газы.

Кроме бактерий, обитающих в природных подземных водах, не исключено попадание их в поглощающий горизонт с самими жидкими отходами. Для устранения этого жидкие отходы могут хлорироваться перед закачкой их в скважи­ны (Straub, 1966) или подвергаться другой бактерицидной обработке.

Жидкие радиоактивные отходы с высоким уровнем ра­диоактивности могут обусловить в поглощающем горизонте

Возникновение реакций радиолиза воды е образованием во­дорода и перекиси водорода. Количество этих продуктов ра­диолиза воды зависит от вида и энергии излучения (табл. 48).

Радиоактивные излучения могут оказывать непосредст­венное действие и на соли, содержащиеся в воде, а также кос­венное действие на них через первичные продукты радиолиза воды с образованием газообразных веществ.

Вопросы радиолиза воды и разложения содержащихся в ней солей освещаются в специальной литературе (А. И. Бах, 1955; Действие ионизирующих излучений на неорганические и органические системы, 1958; Радиохимия и химия ядер­ных процессов, 1960).

Независимо от водного режима, возникающего при уда­лении радиоактивных растворов, а также от типа и конст­рукции поглощающего устройства работа этих сооружений должна удовлетворять следующим общим санитарным усло­виям.

А) При работе поглощающих сооружений не должно про­исходить загрязнения радиоактивными веществами рабочих помещений, поверхности земли и водоносных горизонтов, залегающих выше и ниже горизонта, принимающего удаляе­мые растворы. Устранение загрязнения водоносных гори­зонтов, залегающих выше поглощающего горизонта, должно достигаться правильным выполнением конструкции погло­щающих сооружений (рис. 46).

Б) Все работы, связанные с удалением радиоактивных отходов, а также применяемое при этом оборудование, на­сосные станции, подводящие сети и т. д. должны удовлетво­рять действующим санитарным правилам работы с радио­активными веществами.

В случае удаления жидких радиоактивных отходов выше уровня поверхности земли, устья всех нагнетательных, а также наблюдательных скважин, расположенных в зоне повышенного пластового давления (выше уровня поверхно­сти земли), должны быть постоянно закрыты надежными, полностью герметичными устройствами.

Основным санитарным требованиям к пункту удаления жидких радиоактивных отходов в поглощающие горизонты является возможность организации в его окружении сани - тарно-защитной зоны, что наряду с наличием благоприятной гидрогеологической структуры определяет выбор местополо­жения этого пункта. Независимо от сказанного следует стремиться к тому, чтобы пункт удаления жидких радиоак­тивных отходов был расположен возможно ближе к объекту образования указанных отходов, как, например, близ терри­торий атомной электростанции. Это позволяет уменьшить длину подводящих трубопроводов и других коммуникаций, необходимых для работы пункта захоронения.

По характеру возможного вредного влияния радиоактив­ных отходов, удаленных в недра земли, на внешнюю среду и по условиям производства работ по захоронению этих отхо­дов санитарно-защитные зоны должны состоять из трех поясов.

В первом поясе должны находиться все поглощающие и вспомогательные сооружения.

Во второй пояс включается территория, в которой име­ется потенциальная возможность радиоактивного или хими­ческого загрязнения воды водоносных горизонтов и горных пород, имеющих хозяйственное значение, а также открытых водоемов и поверхности земли. В некоторых случаях для установления границ второго пояса можно учитывать раз­бавление загрязненных вод чистыми водами естественных подземных потоков, если это имеет практическое значение.

При определении расчетным методом положения границ второго пояса необходимо всегда помнить, что получаемые величины являются сугубо ориентировочными, поэтому рас­положение этих границ должно уточняться, исходя из кон­кретных материалов изучения гидрогеологических и сани­тарных условий данного района.

Основными с а и и т а р н о - о х р а н н ы м и мероприятиями в пре­делах второго пояса санитарно-защитных зон является огра­ничение получения подземных вод для водоснабжения, а также ограничение устройства горных и строительных выра­боток, работающих с водоотливом, и использование место­рождений нефти, природного газа и минеральных вод.

Третий пояс санитарно-защитной зоны устанавливается для исключения возможности подсасывания вод, загрязнен­ных радиоактивными веществами, крупными водозаборами подземных вод, горными выработками, работающими с боль­шим водоотливом, или скважинами разрабатываемых неф­тяных, газовых и других месторождений. Поэтому указанные сооружения не должны быть расположены на территории этого пояса.

Размеры третьего пояса, как и второго, следует устанав­ливать, исходя из данных изучения геологических и гидро­геологических условий района, количества намеченных к удалению радиоактивных отходов, их состава и концентра­ции. Но, кроме того, необходимо учитывать дебит сооруже­ний, откачивающих воду или нефть, предполагаемые в пер­спективе в окружающем районе.

Ориентировочные данные по размеру третьего пояса са - нитарно-защитной зоны необходимо иметь уже на стадии выбора участка захоронения жидких радиоактивных отхо­дов, чтобы этот пункт разместить в таких условиях, в кото­рых в дальнейшем не потребовалось бы ставить вопрос о прекращении работы действующих или ограничивать строи­тельство новых подземных водозаборов, горнодобывающих предприятий, нефтяных промыслов и т. д. Это должно ре­шаться на основании имеющихся материалов, но в некото­рых случаях может возникнуть необходимость в проведении дополнительных геологических и гидрогеологических иссле­дований.

Для обоснования выбора места удаления жидких радио­активных отходов, проектирования схемы удаления и конст­рукции поглощающих устройств, а также для проектирова­ния санитарно-защитной зоны пункта захоронения указан­ных отходов необходимо проведение большого комплекса исследовательских работ, состоящих из гидрогеологических изысканий, исследований сорбционной способности горных пород и изучения санитарных и экономических условий тер­ритории и района расположения намечаемого пункта удале­ния указанных отходов.

Исследовательские работы не должны оканчиваться на стадии проектирования и сооружения пункта захоронения. В процессе эксплуатации этого пункта необходимо также проводить постоянные наблюдения за количеством и соста­вом удаляемых жидких радиоактивных отходов, за измене­нием уровня и состава подземных вод, а также за повыше­нием температуры в поглощающем и других водоносных го­ризонтах, за количеством и составом воды, откачиваемой из водозаборных скважин, колодцев горных выработок и из источников, находящихся на территории санитарно-защит­ной зоны, и т. д.