Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 508, № 1, стр. 144-150

В связи с ограничениями на выброс парниковых газов и недостаточной пока еще эффективностью возобновляемых источников энергии атомные электростанции в течение ближайших десятилетий останутся важной составляющей мировой энергетики.

Необходимым условием устойчивого развития атомной энергетики является решение проблемы обращения с радиоактивными отходами. В настоящее время в качестве наиболее перспективного способа изоляции высокорадиоактивных отходов (ВАО) от биосферы признано их кондиционирование и размещение в подземных пунктах окончательного захоронения на глубине нескольких сотен метров.

В Российской Федерации рассматривается проект создания пункта глубинного захоронения (ПГЗ) ВАО на участке Енисейский Нижнеканского массива (Красноярский край) [1]. Основной механизм распространения радиоактивного загрязнения от объекта изоляции ВАО – перенос радионуклидов подземными водами. Если за время прохождения загрязненных подземных вод от ПГЗ ВАО до биосферы концентрация радионуклидов уменьшится ниже предельно допустимого значения вследствие радиоактивного распада и разбавления, то объект может быть признан экологически безопасным. Поскольку в состав ВАО входят долгоживущие радионуклиды, время их миграции от ПГЗ до биосферы должно иметь порядок не менее 10³ лет. Обоснованный прогноз такого процесса может быть получен только методами математического моделирования.

Расчеты показали, что при существующих условиях объект изоляции ВАО на участке Енисейский, расположенный на глубине 450–525 м, удовлетворяет приведенному выше условию безопасности [1, 2]. Однако необходимо иметь в виду, что существующие гидрогеологические условия на участке Енисейский могут существенным образом измениться вследствие проявлений тектонической активности. За тысячи лет, необходимые для надежной изоляции ВАО от биосферы, вероятность таких событий следует учитывать даже для сейсмически стабильных регионов [3, 4]. Тем более это справедливо для участка Енисейский, расположенного в районе Нижнеканского массива в зоне активного орогенеза [3–7].

Нижнеканский массив представляет собой сложнопостроенный гранитоидный интрузив, вытянутый в направлении с юго-востока на северо-запад, длиной ∼60 км и шириной ∼30 км и предполагаемой мощностью 5–8 км [6, 8]. Он расположен в узле сочленения структур древней Сибирской платформы, молодой Западно-Сибирской плиты и Западно-Саянской орогенной области [3, 6–8]. Участок Енисейский расположен у западной границы Нижнеканского гранитоидного массива и вмещающих его докембрийских гнейсов [9].

Наиболее древние тектонической события в районе Нижнеканского массива произошли 2000–1800 млн лет назад [8], далее можно выделить три основных стадии проявлений тектоно-магматической активности: поздний рифей (940–920 и 750–730 млн лет), ранний венд (600–570 млн лет) и поздний ордовик–ранний девон (450–400 млн лет) [8, 10]. С течением времени происходило заполнение полостей разрывных нарушений кварцем, хлоритом, карбонатом, эпидотом, глинистыми минералами [11]. В связи с этим представляется важным, что тектоническая активизация приводила как к образованию новых, так и к обновлению древних разломов. И новообразованные, и омоложенные на новейшем этапе древние разломы сохраняют активность в течение четвертичного периода [3, 8, 12].

Для прогноза тектонических нарушений пород Нижнеканского массива на участках, рассматриваемых для сооружения ПГЗ ВАО, были использованы методы математического моделирования эволюции напряженно-деформируемых состояний пород массива [4, 13–15]. На основании комплексного анализа геолого-геофизических данных, спутниковых наблюдений за скоростями современных движений земной коры и математического моделирования напряженно-деформированного состояния пород Нижнеканского массива было установлено, что наиболее вероятными являются тектонические смещения в зонах существующих основных разломов [16].

В неотектонической структуре по берегам Енисея ведущая роль принадлежит субмеридиональным разломам [5, 7, 12], которые в районе участка Енисейский ориентированы приблизительно параллельно береговой линии реки Енисей. Влияние субмеридиональных разломов на распространение радиоактивного загрязнения из ПГЗ ВАО исследовалась в [17] методами математического моделирования. На участке предполагаемого размещения ВАО преобладает нисходящее течение подземных вод, характерное для области питания артезианских бассейнов. Было показано, что субмеридиональный разлом фокусирует нисходящее течение подземных вод. Таким образом, разлом утягивает вглубь загрязненные подземные воды, поступающие из ближнего поля могильника. В результате этого образование нового или активизация древнего субмеридионального разлома ведет либо к незначительному увеличению, либо даже к уменьшению концентрации радионуклидов в подземных водах, поступающих в биосферу [17].

Однако наряду с субмеридиональными разломами в 2 км от участка Енисейский локализован и Шумихинский разлом, образование которого обусловлено, вероятно, дорифейской стадией тектонической активности. Этот разлом почти ортогонален береговой линии реки Енисей [3, 16]. Согласно распределению меры геодинамической безопасности в районе участка Енисейский, представленной в [16], велика вероятность активизации Шумихинского разлома в результате эволюции напряженно-деформированного состояния пород участка.

В связи с этим целесообразно оценить, какое влияние субширотный разлом, соответствующий положению Шумихинского разлома, оказывает на распространение радионуклидов из ПГЗ ВАО. Такая оценка была проведена расчетным путем для трехмерной модели.

Введем систему декартовых координат $\left\{ {x,y,z} \right\}$, где $x$ направлена с запада на восток, $y$ – с юга на север, $z$ – высота над уровнем моря в Балтийской системе.

Компоненты поля скоростей $\left\{ {{{{v}}_{x}},{{{v}}_{y}},{{{v}}_{z}}} \right\}$ удовлетворяют закону Дарси [18]

где $p$ – давление, $\rho $ – плотность подземных вод, $g$ – ускорение силы тяжести, $f$ – коэффициент фильтрации.

Соленость подземных вод на участке мала [1]. Считая, что ВАО поступают в ПГЗ после достаточно длительной выдержки во временных поверхностных хранилищах, тепловыделением в отходах в первом приближении можно пренебречь. Таким образом, $\rho $ постоянна, и уравнение для давления запишется в виде

Границы области моделирования (рис. 1) – региональные водоразделы, ограничивающие область питания участка Енисейский. Следовательно, на них справедливы нулевые условия Неймана

где $\Gamma $ – боковая граница области, $\partial p{\text{/}}\partial n$ – нормальная производная.

Область ограничена снизу слабопроницаемыми породами фундамента, следовательно, на нижней границе также можно задать условия

На верхней границе (депрессионная поверхность) справедливы условия Дирихле вида

где ${{z}^{{wt}}}(x,y)$ – локальная высотная отметка депрессионной поверхности.

С учетом тектонической активности коэффициент фильтрации зависит от времени, т.е. $f = f(t,x,y,z)$. Обозначим коэффициент фильтрации в отсутствие возмущений ${{f}_{r}}(x,y,z)$. Тогда

где $x = {{x}_{f}}$ – восточная граница субмеридионального разлома, ${{\delta }_{f}}$ – мощность зоны разлома, ${{t}_{f}}$ – время образования разлома, ${{f}_{{fz}}}$ – коэффициент фильтрации зоны разлома.

В случае субширотного разлома,

где $y = {{y}_{f}}$ – южная граница зоны разлома.

Методика определения ${{f}_{r}}(x,y,z)$ по имеющимся данным тестовых откачек описана в [19].

Миграция радионуклидов рассматривалась в приближении адвекционно-дисперсионной модели [18]

Здесь $C$ – массовая концентрация радионуклида в подземных водах, $t$ – время, ${{\rho }_{r}}$ – плотность пород, ${{K}_{d}}$ – коэффициент распределения радионуклида между породами и подземными водами, $\varphi $ – пористость пород, D – тензор дисперсии, $\vec {V} = {\vec {v}}{\text{/}}\varphi $, $\kappa = \ln 2{\text{/}}{{t}_{{hl}}}$ (где ${{t}_{{hl}}}$ – период полураспада радионуклида).

Если обозначить координаты $x,y$, z как ${{x}_{1}}$, ${{x}_{2}}$, ${{x}_{3}}$, общее выражение компонент тензора дисперсии имеет вид [18]

где ${{\delta }_{{ij}}}$ символ Кронекера, ${{\alpha }_{L}}$ и ${{\alpha }_{T}}$ – линейные коэффициенты дисперсии.

Согласно [20], характерным является отношение коэффициентов дисперсии ${{\alpha }_{T}}{\text{/}}{{\alpha }_{L}} \cong 0.3$. Из натурных экспериментов следует, что ${{\alpha }_{L}}$ имеют порядок 10 м [21]. Однако это в значительной степени относится к неконсолидированным осадочным породам. В плотных кристаллических породах значения ${{\alpha }_{L}}$, ${{\alpha }_{T}}$ сравнимы по величине и имеют порядок 100–300 м [18]. Поэтому в расчетах принималось ${{\alpha }_{L}} \cong \;{{\alpha }_{T}} = \alpha $ = 100 м.

Коэффициент распределения ${{K}_{d}}$ характеризует задержку миграции радионуклида относительно скорости течения подземных вод. Чем больше ${{K}_{d}}$, тем меньше отношение скорости миграции радионуклида к скорости течения. Если, наоборот, ${{K}_{d}}$ = 0, задержка отсутствует, и скорость миграции радионуклида равна скорости течения. Как показали эксперименты, основная часть актинидов при выщелачивании ВАО может переходить в подземные воды в коллоидной форме [22]. Из экспериментов на образцах пород с участка следует, что за счет слабой сорбции радиоколлоида на породах скорость актинидов в коллоидной форме может быть приблизительно равна скорости течения [23]. Поэтому в расчетах актиниды рассматривались как нейтральный трассер при ${{K}_{d}} \cong 0$.

Принимались однородные начальные условия для уравнения (5)

Поскольку нормальные составляющие скорости на границах области равны нулю, полагалось, что и дисперсионная составляющая переноса мала, и нормальные составляющие градиента концентрации на границах равны нулю

Следует учитывать, что радионуклиды поступают в подземные воды в результате выщелачивания ВАО. Следовательно, в отличие от задачи гидродинамики для уравнения (6) необходимо задать условия на границе загруженной части ПГЗ. В качестве консервирующей матрицы основной части витрифицированных ВАО в Российской Федерации использовались натрий-алюмофосфатные стекла. Взаимодействие стекла, как и большей части аморфных веществ, с подземными водами может описываться кинетическими соотношениями. Однако содержание Na–Al–P-стекол во временных хранилищах при повышенных температурах и влажности воздуха более 66% может привести к полной раскристаллизации матрицы [22]. В этом случае экстрагирование радионуклидов из ВАО определяется равновесными концентрациями кристаллических фаз матрицы в подземных водах и содержанием радионуклидов в каждой фазе. Следовательно, на границе ПГЗ ВАО можно записать условия Дирихле в виде

где ${{\Gamma }_{s}}$ – граница загруженной части ПГЗ, ${{C}_{0}}$ – константа, зависящая от равновесных концентраций кристаллических фаз измененного Na–Al–P-стекла в подземных водах и содержания радионуклида в каждой фазе.

Уравнение (2) при условиях (4)–(5) решалось конечно-разностным методом последовательной верхней релаксации, а уравнение (6) интегрировалось по времени с учетом условий (7)–(9) методом переменных направлений по схеме Дугласа [24]. Расчеты проводились для ²⁴¹Am – долгоживущего актинида, содержащегося в значительных количествах в радиоактивных отходах, образующихся при использовании PUREX-технологии переработки облученного ядерного топлива.

Результаты численного моделирования показали, что формирование нового или активизация древнего субмеридионального разлома не приводит к существенному ускорению миграции радионуклида. Разлом фокусирует нисходящий поток регионального течения подземных вод и увлекает загрязненные воды вниз. Вследствие этого время миграции радионуклида от ПГЗ ВАО до биосферы либо незначительно увеличивается, либо даже уменьшается в зависимости от расстояния между разломом и ПГЗ. Это полностью согласуется с результатами, полученными ранее при использовании более простой двумерной профильной модели [17].

Совершенно иные результаты получены в случае субширотно ориентированного разлома. На рис. 2 показано перемещение загрязненных подземных вод в зоне разлома, положение которого приблизительно соответствует древнему Шумихинскому разлому, активизировавшемуся через 1000 лет после загрузки ВАО в ПГЗ (${{t}_{f}}$ = = 1000 лет). К моменту активизации разлома край загрязненного объема подземных вод уже достиг его зоны. За счет способности разлома фокусировать течение подземных вод и большей проницаемости пород зона разлома втягивает загрязненные подземные воды и сравнительно быстро переносит их к зоне разгрузки в реку Енисей. Следует, однако, иметь в виду, что концентрация загрязнения при этом существенно снижается, поскольку разлом фокусирует не только загрязненные, но и чистые подземные воды из северо-восточной части области питания рассматриваемого бассейна. Наряду с этим представляется возможным снизить даже эти негативные последствия тектонической активности за счет, например, закачки в зону разлома раствора быстро полимеризующегося вещества, снижающего проницаемость пород на участке закачки. На рис. 3 показано, как изменяется в этом случае характер распространения загрязнения по зоне разлома. Как показывают результаты моделирования, такая защитная мера представляется сравнительно эффективной.

Трехмерное моделирование миграции радионуклидов из подземного объекта изоляции ВАО на участке Енисейский показало, что возникновение новых или активизация древних субмеридиональных тектонических разломов не ведет к значительной интенсификации распространения радиоактивного загрязнения в подземной среде. При некоторых значениях расстояния между разломом и объектом наличие активного субмеридионального разлома может даже несколько замедлить миграцию радионуклидов.

Формирование или активизация субширотных разломов может привести к относительно быстрому (в течение нескольких лет) движению достигших разлома загрязненных подземных вод к зоне их разгрузки в реку Енисей. Однако при этом происходит существенное их разбавление чистыми подземными водами, поступающими в разлом из северо-восточной части области питания, ограниченной региональными водоразделами.

Следует отметить, что при моделировании рассматривался наименее благоприятный случай, когда радионуклид является нейтральным трассером, т.е. его задержка за счет сорбции на вмещающих породах полностью отсутствует. В действительности распространение радиоактивного загрязнения в подземной среде будет происходить значительно медленнее, так как скорость миграции радионуклидов в ионной форме существенно уменьшится за счет сорбции на породах, а их перенос в высокоподвижной коллоидной форме будет ограничен механической задержкой радиоколлоида в порово-трещинных каналах пород.