Математическое моделирование глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов

Актуальность работы. Вторая половина XX столетия ознаменовалась бурным развитием атомной промышленности. Быстро развивалось производство делящихся материалов, как для хозяйственных, так и для военных целей. Деятельность атомных производств привела к накоплению большого количества радиоактивных отходов (в дальнейшем по тексту РАО) — не предназначенных для дальнейшего использования веществ любого агрегатного состояния, в которых содержание радиоактивных компонентов превышает уровни, установленные федеральными нормами и правилами [1]. Проблема накопления отходов атомной промышленности актуальна и в нашей стране, поскольку хранилища РАО имеются во многих субъектах Российской Федерации. В настоящее время общая активность, накопленных в России РАО, составляет около 2 миллиардов Ки [2]. Более 95% этих отходов сосредоточено на предприятиях Государственной корпорации по атомной энергии «РОСАТОМ», на наиболее крупных комбинатах отрасли: Сибирском химическом комбинате (г. Северск), ПО «Маяк» (г. Озерск), Горно-химическом комбинате (г. Железногорск).

Значительная часть РАО находится в жидком состоянии. Согласно «Основным санитарным правилам обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99) [3]» жидкие РАО (в дальнейшем по тексту ЖРО) разделяются на три категории (табл. 1).

Таблица 1 — Категорирование ЖРО.

Категория отходов Удельная активность кБк/кг.

Р-излучающие радионуклиды а-излучающие радионуклиды (без трансурановых) трансурановые радионуклиды.

Низкоактивные < 10' < 102 < 101.

Среднеактивные 103−107 102−106 Ю'-Ю5.

Высокоактивные > 107 > 106 > 10э.

Отходы высокого и среднего уровня активности возникают преимущественно при работе радиохимических и химико-металлургических производств, в меньшей степени при эксплуатации атомных реакторов. Отходы низкого уровня активности представляют собой охлаждающие, трапные воды, сливы после дезактивации оборудования, помещений и коммуникаций, стирки спецодежды и т. д.

В настоящее время существует несколько вариантов вывода ЖРО из среды активной жизнедеятельности человека [2,4]:

— хранение в искусственных и выделенных природных водоемах;

— хранение в металлических емкостях;

— захоронение ЖРО в геологические формации;

— перевод ЖРО в твердое агрегатное состояние, помещение в герметичные емкости для дальнейшего хранения или захоронения.

Все перечисленные методы обеспечивают определенную защиту от распространения радионуклидов в окружающей среде за счет постановки на пути их миграции защитных барьеров различного типа [5], при этом каждый из методов имеет свои очевидные недостатки.

Размещение ЖРО в наземных хранилищах, имеющих открытую поверхность, это самый простой и дешевый способ их временного хранения. Защитой от поступления ЖРО в окружающую среду служат донные отложения либо сооружаемые искусственные противофильтрационные и противо-миграционные экраны. Этот метод был перенят из химической промышленности и никогда не рассматривался как способ постоянной изоляции РАО. Главным недостатком такого способа хранения ЖРО является слабая изоляция отходов от окружающей среды: ветровой, биогенный разносы, фильтрация через дно хранилищ приводят к выходу компонентов ЖРО в окружающую среду. В настоящее время страны, имеющие такого типа хранилища, проводят работы по их выводу из эксплуатации и ликвидации. Помещение ЖРО в металлические емкости подразумевает постановку на пути поступления ЖРО в окружающую среду практически непроницаемого фильтрационного барьера. Однако опыт применения этого метода показал, что этот барьер разрушается в результате коррозии или технологических нарушений при хранении ЖРО. Кроме того, ограниченность размеров таких хранилищ приводит к необходимости их периодического опорожнения, что до сих пор является технически сложно выполнимой операцией. Такой способ изоляции ЖРО в настоящее время применяется для временного хранения незначительных объемов отходов при невозможности использования других подходов. Перевод ЖРО в твердое агрегатное состояние с последующим их помещением в герметичные емкости является наиболее эффективным способом их длительной изоляции от окружающей среды. На пути ЖРО формируют им-мобилизационный и фильтрационный барьеры, затем отходы помещаются для временного хранения. В дальнейшем планируется их размещение в глубоких геологических формациях. В настоящее время глубинные хранилища для окончательного захоронения отвержденных РАО в России отсутствуют. Несмотря на высокую надежность такого обращения с РАО, этот способ из-за своей высокой стоимости применяется только для весьма ограниченных объемов. Захоронение РАО в глубоко залегающие. геологические формации в жидком агрегатном состоянии, то есть их размещение без намерения дальнейшего извлечения и переработки является постоянным способом изоляции ЖРО от сферы активной жизнедеятельности человека. Природные пласты-коллекторы и водоупорные слои формируют на пути миграции отходов фильтрационный и различные типы геохимических барьеров. Надежность этих барьеров определяется мощностью и физико-химическими свойствами горных пород, отделяющих подземное хранилище ЖРО от дневной поверхности. Предварительные расчеты, а так же опыт изучения природных месторождений радиоактивных элементов и других полезных ископаемых показывают, что время выхода компонентов ЖРО на дневную поверхность может составлять от первых тысяч до нескольких миллионов лет.

Работы по обоснованию безопасности захоронения радиоактивных отходов в геологической среде в СССР были начаты в начале 50-х годов XX века. Первоначально, в качестве генерального направления была принята переработка и отверждение РАО с последующим длительным хранением в геологических формациях [2]. Однако решение этой задачи требовало значительного времени и средств, в связи с чем, по рекомендации ведущих ученых страны, было принято решение Правительства о развертывании работ по захоронению РАО в жидком виде непосредственно после их образования через нагнетательные скважины. Безопасность — одно из главных требований при захоронении отходов в глубокие поглощающие горизонты. Применительно к геологическому захоронению отходов безопасность определяется, как способность системы захоронения предотвращать или ограничивать допустимыми пределами, воздействие отходов на человека и окружающую среду [2]. Требования безопасности и применяемые критерии определяются законодательными документами и разрабатываемыми на их основе нормативными документами — правилами и стандартами. Комплексная оценка последствий и безопасности захоронения выполняется при обосновании и проектировании хранилища.

Оценка безопасности основывается на прогнозировании распределения отходов в недрах и сопутствующих процессов (изменение напоров подземных вод, их химического состава, температуры). Основной критерий для оценки безопасности, это положение компонентов отходов через 1000 лет после окончания эксплуатации полигона глубинного захоронения ЖРО относительно границ горного отвода недр — территориально ограниченного участка геологической среды, в пределах границ которого не допускается деятельность не связанная с захоронением ЖРО [2]. Объективные прогнозные расчёты миграции компонентов ЖРО в геологической среде могут быть выполнены только с использованием моделей геологической среды и гидрогеологических процессов в ней протекающих. Такую возможность может обеспечить использование методов численного моделирования данного процесса. Значительный вклад в развитие моделирования гидрогеологических и систем, в том числе с использованием методов численного моделирования внесли: М. Б. Букаты, А. И. Зинин, A.A. Куваев, И. С. Карпов, Ю. В. Мироненко, В. Н. Озябкин, В. Г. Румынии, Л. Н. Синдаловский, Г. А. Соломин, Ю. Г. Шваров, В. М. Шестаков, P.C. Штенгелов, W. Chiang, W. Kinzelbach, N. Remy, С.-F. Tsang, др. Результаты применения моделей, описывающих процессы, протекающие при захоронении ЖРО, отражены в работах: M.JI. Глинского, Е. В. Захаровой, И. М. Косаревой, Ю. В. Макушина С.П. Позднякова, А.И. Рыбаль-ченко, JIM. Самсоновой и др.

Однако, существующие в настоящее-' время модели, используемые для описания глубинного захоронении ЖРО и его последствий, рассматривают объекты и процессы, имеющие различные пространственные и временные масштабы. Вследствие того, что объекты различных масштабов, от при-фильтровой зоны скважины до всего района расположения полигона глубинного удаления ЖРО, являются частями единой гидрогеологической системы, возникает необходимость комплексного рассмотрения процессов в ней протекающих.

Цель диссертационной работы — создание многоуровневой модели геологической среды района расположения полигона глубинного захоронения ЖРО Сибирского химического комбината (СХК) и оценка последствий захоронения отходов методом математического моделирования.

Основные задачи исследования, которые необходимо-решить для достижения поставленной цели:

— разработать методику построения цифровых иерархических моделей стратифицированных геологических объектов;

— выполнить анализ и интерпретацию результатов геологических и гидрогеологических работ, проведенных в районе расположения1 полигона глубинного захоронения ЖРО СХК;

— определить область моделирования, установить число рангов в иерархической модели и количество субмоделей, необходимых на каждом из рангов иерархии;

— создать многоуровневую гидрогеологическую модель района расположения полигона;

— выполнить с помощью построенной иерархической модели эпигнозные (ретроспективные) и прогнозные расчеты изменения состояния гидрогеологической системы под действием фильтрата ЖРО;

— дать комплексную оценку влияния полигона глубинного захоронения ЖРО СХК на подземную гидросферу района.

Объектом исследования является геотехнологическая система, сформировавшаяся в районе расположения полигона глубинного захоронения ЖРО СХК в результате поступления жидких РАО в песчаные горизонты стратифицированной толщи осадочного чехла Западно-Сибирской плиты.

Предметом исследования является комплексная оценка последствий эксплуатации полигона глубинного захоронения ЖРО СХК для геологической среды и подземной гидросферы.

Теоретическая и методологическая база исследования. При выполнении работы автор опирался на теоретические подходы к математическому моделированию геологических объектов и исследованию процессов, в них протекающих, изложенные в трудах: Ю. С. Ананьева Г. С. Портова, В.А. Го-лубева, Ю. Е. Капутина, В. М. Шестакова, C.JI. Шварцева, С. П. Позднякова, М. Б. Букаты, Е. А. Ломакина, В. А. Мироненко, В. А. Дунаева, A.B. Герасимова, Ю. А. Волобуева и других исследователей.

Фактическим материалом для написания работы, послужили данные геотехнологического мониторинга по 483 контрольным скважинам, расположенным в пределах полигона глубинного захоронения ЖРО и его горного отвода недр, за период 1993 — 2008 гг., результаты интерпретации данных геофизических исследований и описания керна, выполненные при сооружении этих скважин. Использовались результаты интерпретации данных опытно-фильтрационных работ (ОФР) 1961 — 1963 гг., выполненных при гидрогеологических изысканиях полигона СХК, и результаты ОФР 1999;2001 гг., выполненных для оценки степени гидравлической изолированности пластов коллекторов от буферных горизонтов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались традиционные методы, применяемые для интерпретации первичных данных геотехнологического мониторинга. Для восстановления недостающей информации при создании структурной модели гидрогеологической среды использовались интерполяционные методы: детерминистический и геостатистический. Для моделирования процессов, протекающих в геологической среде при взаимодействии компонентов ЖРО с вмещающими породами и поровыми водами, применялся численный метод, при этом на каждом из уровней иерархии модели последовательно решались геофильтрационная и геомиграционная задачи. Для выполнения и оформления работы использовались следующие стандартные пакеты программ: ArcGIS 9.3, Surfer 8.0, Adobe Photoshop 9.0, Microsoft Office 2003, PMWinPro, MODFLOW-2000, MT3DMS и EditKar, а так же использовалось оригинальное программное обеспечение КРОт-2 В.

Научная новизна работы. В результате выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

— Разработана оригинальная методика для описания стратифицированного геотехнологического объекта с помощью цифровой, иерархической модели, впервые сформулированы и представлены в виде математических зависимостей условия согласования структурно-геологических и геофильтрационных параметров модели.

— Впервые для района расположения полигона глубинного захоронения ЖРО СХК построена трехуровневая иерархическая модель, которая согласовано описывает строение различных участков исследуемого объекта с требуемым уровнем детальности.

— С помощью созданной модели проведены согласованные прогнозные и эпигнозные расчеты состояния пластов-коллекторов и примыкающих к ним песчаных и глинистых слоев, на основании которых выполнена комплексная оценка влияния полигона глубинного захоронения ЖРО СХК на подземную гидросферу района.

Достоверность и обоснованность полученных результатов основана на использовании научно-обоснованных и общепринятых способов интерпретации первичных данныхлогической обоснованности применяемых методик построения отдельных моделейприменении общепринятых законов для их взаимного согласованияиспользовании при проведении эпигнозных и прогнозных расчетов широко применяемых программных продуктовв подтверждении результатов моделирования данными наблюдений.

Практическая значимость работы: Создана трехуровневая иерархическая модель района расположения полигона глубинного захоронения ЖРО СХК, которая используется для визуализации и анализа литологической, стратиграфической и гидрогеологической структуры толщи осадочных пород в этом районе. С помощью созданной цифровой модели геологической среды было описано поведение компонентов ЖРО в разномасштабных участках геологической среды района полигона. Результаты модельных расчетов были использованы для оценки безопасности процесса захоронения технологических ЖРО кислого типадля выявления причин снижения приемистости скважин, используемых для захоронения нетехнологических ЖРО и разработки методик ее восстановлениядля оценки перспектив дальнейшей эксплуатации полигона глубинного захоронения ЖРО при получении лицензии на право пользования недрами СХКдля определения периодичности выполнения мониторинговых замеров при подготовке и написании геотехнологического регламента полигона глубинного захоронения ЖРО СХК. Кроме этого, созданная модель может быть использована в качестве основы для функционирования постоянно действующего информационно-моделирующего комплекса, применение которого позволит повысить уровень безопасности при эксплуатации полигона глубинного захоронения ЖРО СХК.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика создания трехмерной иерархической модели описывающей гидрогеологическое строение стратифицированной осадочной толщи, заключающаяся в представлении исследуемого объекта в виде совокупности вложенных слоистых субмоделей различных масштабов и согласовании их гидрогеологических параметров.

2. Трехуровневая математическая модель гидрогеологического строения района расположения полигона глубинного захоронения ЖРО СХК, которая согласованно описывает: район расположения полигона, эксплуатационные и буферные горизонты в пределах его границ и прифильтровые зоны нагнетательных скважин.

3. Комплексная оценка последствий глубинного захоронения ЖРО для пластов-коллекторов непосредственно на территории размещения полигона и для подземной гидросферы района в целом, сделанная на основе созданной гидрогеологической модели.

Личный вклад автора состоял: в анализе и интерпретации данных лито-логических колонок эксплуатационных, контрольных, наблюдательных и разведочных скважин, когда-либо пробуренных на территории исследуемого района, а так же, в обработке других фондовых материалов, описывающих его гидрогеологическое строениев получении исходных данных для задания физико-химических параметров" моделируемых объектов — значительная часть этих материалов была получена при выполнении опытно-фильтрационных работ и геомиграционных опытов, которые проводились под руководством и при непосредственном участии авторав участии в разработке концепции и методики построения иерархических цифровых моделей стратифицированных геологических толщв создании трехуровневой иерархической модели геологической среды полигона глубинного захоронения ЖРО СХК, в выполнении, эпигнозных и прогнозных расчетовв формулировании выводов по результатам работы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и докладывались на VI-ой и VII научно-практических конференциях Сибирского химического комбината — (Северск, 2001, 2003) — IV и V Российских конференциях по радиохимии. — (Озерск, 2003 и Дубна 2006) — Международной конференции «Underground injection science and technology» — Беркли, США 2003) — Отраслевых научно-технических конференциях «Технология и автоматизация атомной энергетики» — (Северск 2005, 2006, 2008,.

2009 гг.) — VII Международной конференции «Безопасность ядерных технологий и обращения с РАО». (С.-Петербург 2004) — Международном семинаре «Опыт эксплуатации полигонов захоронения промышленных стоков и радиоактивных отходов» (Димитровград 2005) — Международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности» (Томск, 2007 г.) — Российской межотраслевой научно-технической конференции «Захоронение ЖРО — прошлое, настоящее, будущее» (Северск 2007 г.) — Научно-практической конференции молодых специалистов и аспирантов «Молодежь ЯТЦ: наука и производство» (Северск 2007 г.) — III международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (Томск 2009 г.) — Всероссийском совещании по подземным водам востока России (Тюмень 2009) — Международной научно-технической конференции «Ресурсы подземных вод. Современные проблемы изучения и использования» (Москва, 2010).

Публикации. Основное содержание работыопубликовано в 8 статьях опубликованных в печатных изданиях рекомендуемых ВАК, в 13 тезисах докладов, а также изложено в 14 отчётах о НИР. По выполненной работе получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал работы изложен на 188 страницах, включая 7 таблиц, содержит 64 рисунка и список литературы из 134 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработана методика построения многоуровневой иерархической модели для описания стратифицированных геологических толщ. Модель, созданная по предложенной методике, согласованно описывает объекты гидрогеологической ситемы различного масштаба с разным уровнем детальности. Определены условия согласования емкостных и геофильтрационных параметров при замещении ячеек вмещающей модели ячейками вложенных моделей.

2. Создана иерархическая трехуровневая модель геологической среды осадочной толщи района расположения полигона глубинного захоронения ЖРО СХК и определены ее гидрогеологические параметры. В состав данной модели входят следующие субмодели: субмодель района расположения полигона глубинного захоронения ЖРО (I ранг) — субмодель эксплуатационных и буферных горизонтов в пределах территории полигона, и разделяющих их водоупорных слоев (II ранг) — комплекс прискважинных субмоделей различного типа (III ранг).

3. С помощью созданной модели выполнена комплексная оценка влияния полигона глубинного захоронения ЖРО СХК, на поземную гидросферу района, в результате чего установлено что:

— После эксплуатации скважины для удаления технологических ЖРО более 99.9% от общего количества радионуклидов закаченных в нее, даже в самых проницаемых пропластках пласта-коллектора, будет находиться в пределах 100 м от ее фильтровой зоны.

— Максимальная температура в пласте-коллекторе при удалении технологических ЖРО по используемой схеме на СХК составляет 150 °C, что меньше температуры парообразования в пластовых условиях (210−230 °С). В дальнейшем после прекращения эксплуатации скважины радиоактивный разогрев пласта-коллектора ослабевает, и температура во всех участках области моделирования снижается вследствие перераспределения тепла и его отдачи в перекрывающие и подстилающие водоупорные слои.

— В конце эксплуатации полигона глубинного захоронения ЖРО, область распространения фильтрата отходов будет находиться на значительном удалении от границ горного отвода недр. Наименьшее расстояние между границей горного отвода недр и фронтом фильтрата отходов (по уровню 10″ 5 от исходной концентрации) на момент планируемого срока окончания эксплуатации полигона, составит около 1.5 км.

— Участок горного отвода недр, где фиксируется это расстояние, находится в его северо-восточной части, а естественное направление потока подземных вод во всех водоносных горизонтах юго-западное. Поэтому после остановки полигона расстояние между границей отвода и фронтом фильтрата ЖРО на данном участке сокращаться не будет.

— На момент планируемого срока окончания эксплуатации полигона по направлению естественного потока расстояние между границей отвода и фронтом фильтрата ЖРО по результатам моделирования во П-ом эксплуатационном горизонте составит около 6 км, а в Ш-ем горизонте — около 7 км.

— При условии безаварийной работы полигона, и отсутствия послупления ЖРО в буферные горизонты по технологическим причинам, в ближайшие 1000 лет ЖРО, закаченные в пласты-коллекторы на полигоне СХК, будут изолированы от областей питания городских водозаборов г. Северска, поверхностных водотоков и других объектов входящих в сферу активной жизнедеятельности человека.