Приложение 7. РУКОВОДСТВО ПО БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ "ОЦЕНКА ДОЛГОВРЕМЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПУНКТОВ ГЛУБИННОГО ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ" (РБ-003-21)

1. Разработка основных положений оценки долговременной безопасности пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

1.1. Цели и используемые подходы к выполнению прогнозного расчета оценки долговременной безопасности пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

Настоящий пример приводится с целью демонстрации методики выполнения оценки долговременной безопасности ПГЗРО, в том числе выполнения прогнозного расчета миграции радионуклидов из референтного ПГЗРО в окружающую среду.

Ключевым элементом прогнозного расчета оценки долговременной безопасности ПГЗРО является создание расчетной модели миграции радионуклидов в геологической среде вмещающих ПГЗРО пород.

Прогнозный расчет оценки долговременной безопасности ПГЗРО в рамках настоящего примера выполняется с использованием консервативного подхода.

Учитывается только возможное радиационное воздействие ПГЗРО на население.

1.2. Критерии долговременной безопасности пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов и искомые параметры.

В соответствии с санитарными правилами и нормативами СП 2.6.1.2612-10 "Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99/2010)", утвержденными постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 26 апреля 2010 г. N 40 (зарегистрировано Минюстом России 11 августа 2010 г., регистрационный N 18115), годовая эффективная доза облучения критической группы населения за счет РАО после их захоронения не должна превышать 10 мкЗв.

1.3. Характеристика критической группы населения.

Предполагается нахождение критической группы населения (семейного фермерского хозяйства) в районе размещения ПГЗРО. Для ведения натурального сельского хозяйства представители критической группы используют подземные воды района размещения ПГЗРО. Предполагается, что подземные воды района размещения ПГЗРО могут быть загрязнены в результате миграции радионуклидов из ПГЗРО.

Учитываются следующие основные пути облучения критической группы населения:

внешнее облучение от загрязненной радионуклидами поверхности земли;

внутреннее облучение ингаляционным путем;

потребление растительной пищи, выращенной на загрязненной почве;

потребление мясомолочной продукции, произведенной от животных, вскормленных на загрязненной территории;

потребление и использование воды, загрязненной радионуклидами;

непреднамеренное поступление радиоактивных веществ в организм.

1.4. Временные периоды прогнозного расчета оценки долговременной безопасности пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

Принимаются следующие временные периоды прогноза:

период активного административного контроля - 100 лет;

период пассивного административного контроля - 200 лет;

расчетный период - 107 лет (период времени выбран с целью учета радиационного воздействия на критическую группу населения долгоживущих радионуклидов).

2. Сбор и подготовка исходных данных о характеристиках пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов и условиях его размещения.

2.1. Характеристики референтного пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

ПГЗРО предназначен для глубинного захоронения РАО класса 1. Захоронение РАО класса 1 в ПГЗРО осуществляется на глубине около 500 м в вертикальных скважинах.

Суммарная активность РАО в ПГЗРО - 4-1017 Бк.

Объем РАО - 4500 м3.

Условный радионуклидный состав РАО: 235U, 238U, 14C, 79Se, 99Tc, 129I, 36Cl, 135Cs.

Система инженерных барьеров безопасности ПГЗРО включает:

форму РАО - стеклоподобный компаунд;

упаковку РАО - стальной бидон;

контейнер - стальной пенал, вмещающий 3 бидона;

буферный материал - смесь бентонитовой глины и извлеченной горной породы.

Буферным материалом заполняются зазоры между контейнерами и стенками вертикальных скважин, в которые размещаются контейнеры, а также тоннель, через который осуществляется загрузка контейнеров РАО в ячейки захоронения.

2.2. Характеристики условий размещения пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

Создание ПГЗРО предусмотрено в массиве кристаллических горных пород с развитой системой неактивных тектонических нарушений.

ПГЗРО располагается в горных породах на глубине около 500 м. В 4 км к западу от ПГЗРО протекает река - региональная дрена, которая в свою очередь имеет 3 притока - локальные дрены. Абсолютные отметки рельефа от 110 до 460 м. Гидрогеологический массив представляет собой зону интенсивного водообмена, приуроченного к водосборному бассейну выделенных водотоков, в пределах которого осуществляется питание, транзит и разгрузка подземных вод.

Породы, слагающие массив, по глубине отличаются фильтрационными и миграционными свойствами, на основании чего выделяются выдержанные по мощности слои с характерным набором параметров.

Верхний слой состоит из рыхлых четвертичных отложений мощностью 15 м. Нижележащие четыре слоя мощностью 50, 100, 250 и 250 м состоят из гнейсов разной степени выветривания. Проницаемость слоев уменьшается с глубиной, при этом зоны неактивных тектонических нарушений в гнейсах имеют более высокую проницаемость и при моделировании рассматриваются как отдельные элементы.

Район размещения ПГЗРО относится к 6-балльной зоне для проектного землетрясения с расчетным периодом повторяемости - 1 раз в 1 000 лет и к 7-балльной зоне для максимального расчетного землетрясения с расчетным периодом повторяемости - 1 раз в 10 000 лет.

3. Разработка и обоснование сценариев эволюции системы захоронения РАО.

В рамках настоящего примера рассмотрен сценарий наиболее вероятной эволюции системы захоронения РАО (сценарий нормальной эволюции).

Предполагается следующая последовательность событий, явлений и факторов, происходящих в системе захоронения РАО:

контакт контейнеров и упаковок РАО с подземными водами;

коррозия стальных контейнеров;

выход радионуклидов из стеклоподобных компаундов;

миграция радионуклидов через инженерные барьеры безопасности ПГЗРО;

поступление радионуклидов во вмещающий горный массив;

миграция радионуклидов в геологической среде;

поступление радионуклидов в первый от дневной поверхности постоянно действующий водоносный горизонт;

использование вод водоносного горизонта критической группой населения в качестве источника хозяйственно-бытового водоснабжения.

Учитываются следующие процессы, происходящие в системе захоронения РАО:

фильтрация в насыщенно-ненасыщенной среде;

адвективно-диффузионно-дисперсионный перенос;

радиоактивный распад, в том числе с учетом цепочек распада;

равновесная обратимая сорбция, описываемая изотермой Генри, с постоянным коэффициентом распределения.

4. Разработка и обоснование концептуальных моделей пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

При выполнении прогнозного расчета оценки долговременной безопасности ПГЗРО сделаны следующие допущения.

Предполагается, что площадка размещения ПГЗРО не может использоваться людьми для проживания в течение периода административного контроля. После его окончания предполагается поселение людей в районе размещения ПГЗРО и ведение этими людьми натурального сельского хозяйства. На весь период оценки (расчетный период) рацион питания, образ жизни и уклад сельского населения остается неизменным.

Предполагается, что поверхностный слой почвы изначально не загрязнен радионуклидами. Загрязнение почв происходит при использовании для орошения загрязненных грунтовых вод, забираемых из водозаборной скважины.

Предполагается, что в районе размещения ПГЗРО в будущем не будет проводиться добыча полезных ископаемых, городское и промышленное строительство.

При разработке концептуальной модели ПГЗРО выполнен анализ существующих фактических данных, в том числе геологических, геоморфологических, тектонических, данных бурения, гидрогеологических данных территории размещения объекта. Основные этапы создания концептуальной модели включают:

1. Выбор схематизации будущей модели.

2. Обоснование граничных условий.

3. Определение параметров и исходных данных, которые необходимо учесть в расчетной модели.

4. Выбор фактических данных для последующей калибровки модели.

Для создания расчетной модели референтного ПГЗРО:

был определен и проанализирован ряд публикаций, статей, справочной литературы;

проанализированы геологические, гидрогеологические, тектонические карты района моделирования.

Схематично концептуальная модель системы захоронения РАО приведена на рис. 1.

Рис. 1. Концептуальная модель системы захоронения РАО

5. Разработка математических моделей процессов, влияющих на долговременную безопасность пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

5.1. Математическая модель выхода радионуклидов из пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

Изменение активности радионуклидов в источнике РАО вследствие выхода радионуклидов из источника РАО и радиоактивного распада в рамках настоящего примера задается упрощенно и определяется следующим образом:

, (1)

где:

Al - активность радионуклида в источнике РАО, Бк;

vl - скорость фильтрации, м/год;

- пористость материала;

Ll - длина пути миграции, м;

- постоянная радиоактивного распада, 1/год.

Безразмерный коэффициент задержки R определяется следующим образом:

, (2)

где:

- средняя плотность материала источника РАО, кг/м3;

Kd - коэффициент межфазного распределения компаунда, м3/кг;

Решением уравнения (1) является выражение:

Al(t) = A0 · exp(-al · t), (3)

где A0 - исходная активность источника РАО, Бк.

Параметр al определяется следующим образом:

. (4)

Интенсивность выхода радионуклидов из источника РАО Ql(t) определяется следующим образом:

. (5)

5.2. Математическая модель миграции радионуклидов в геологической среде.

5.2.1. Модель напорной фильтрации.

Процесс напорной фильтрации жидкости описывается законом сохранения массы (уравнением неразрывности):

, (6)

где:

sstor - коэффициент упругоемкости, определяемый как объем высвободившейся жидкости в единичном объеме насыщенной пористой среды при единичном понижении напора;

h - напор;

Q - источники и стоки (ими могут служить скважины и дренажи, Q = qwell + qdrain);

K - тензор фильтрации;

- вектор скорости фильтрационного потока, определяемый законом Дарси:

. (7)

5.2.2. Модель адвективно-дисперсионно-диффузионного переноса с сорбцией по линейной изотерме и радиоактивным распадом.

Данная модель является основной при моделировании процессов геомиграции. Она описывается уравнением:

, (8)

где:

R - фактор замедления (если используется модель сорбции по изотерме Генри);

C - концентрация растворенного вещества;

D - тензор диффузии-дисперсии;

- константа распада, связанная с периодом полураспада t соотношением . Отметим, что в насыщенных условиях скорость Дарси связана с действительной скоростью фильтрации соотношением .

Модель переноса с учетом цепочек радиоактивного распада основана на уравнении:

, (9)

в котором учтена сорбция, а включает источники и стоки, обусловленные радиоактивным распадом изотопов и образованием дочерних элементов.

6. Разработка расчетной модели пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов с использованием программ для электронных вычислительных машин.

Для выполнения прогнозных расчетов выхода радионуклидов из источника РАО использовалась программа для ЭВМ, реализующая метод камерного моделирования.

Для выполнения расчетов миграции радионуклидов в геологической среде использовалась программа для ЭВМ, реализующая метод конечных объемов, предназначенная для трехмерного геофильтрационного и геомиграционного моделирования.

6.1. Разработка геологической модели пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

Начальным этапом разработки геологической модели ПГЗРО является определение границ расчетной области.

Предварительно выполнен ряд промежуточных действий, в частности, подготовлена цифровая модель рельефа.

Для создания цифровой модели референтного ПГЗРО использованы данные радиолокационной топографической съемки поверхности Земли.

Граница расчетной области была построена по цифровой модели рельефа с использованием специализированной программы.

Принятые размеры области расчетного моделирования в плане соответствуют водосборному бассейну участка региональной дрены, в пределах которой расположена площадка ПГЗРО. Размеры области моделирования приняты 17,5 x 8,3 км (рис. 2).

Рис. 2. Границы расчетной области с выделением
водосборных бассейнов

Для создания геологической модели ПГЗРО рассматриваемого района выполнен анализ геологических карт дочетвертичных отложений, а также анализ геологических карт четвертичных отложений в области размещения долин временных и постоянных водотоков, попадающих в границы области расчетного моделирования.

Были использованы современные границы природных водоемов и водотоков, чье влияние необходимо учитывать, и обобщены данные, представленные в фондовых материалах.

Исходными данными для выделения слоев геологической модели служили геологические карты и фондовые данные.

На основе вышеперечисленных данных была принята геологическая схематизация, которая описана послойно сверху вниз:

слой 1 - интенсивно выветренная зона мощностью 15 м;

слой 2 - менее выветренная переходная зона с мощностью 50 м;

слои 3, 4 и 5 - гнейс с различными фильтрационными параметрами по глубине мощностью соответственно 100, 250 и 250 м.

На глубине 400 м от поверхности, между 5 и 6 слоями, была задана зона размещения РАО, которая геометрически представляет собой параллелепипед размерами 400 x 700 x 75 м (рис. 3).

Для учета в модели тектонических нарушений были использованы картографические фондовые материалы. Зоны деформаций задавались как неоднородность со своим набором параметров (рис. 4).

Рис. 3. Геологическая модель референтного пункта глубинного
захоронения радиоактивных отходов

Рис. 4. Плановый вид выделенных тектонических нарушений

На основе фондовых материалов рассматриваемого района была составлена трехмерная геологическая модель, необходимая для создания геофильтрационной и геомиграционной моделей (рис. 5).

Рис. 5. Трехмерная геологическая модель референтного
пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов

6.2. Разработка геофильтрационной модели пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

6.2.1. Пространственная структура геофильтрационного потока.

Пространственная структура геофильтрационного потока в рассматриваемом районе принята трехмерной: поток подземных вод распространяется как в плане - от водоразделов к дренам, так и в разрезе.

Границы водоемов задавались в модели в соответствии с их современным состоянием.

Преимущественно плановое движение потока подземных вод происходит по хорошо проницаемым четвертичным отложениям, а также по зоне трещиноватых гнейсов.

6.2.2. Граничные условия геофильтрационного потока.

Моделируемым районом является водосборная площадь участка реки, в пределах которой находится площадка размещения ПГЗРО. На всей границе водосборного бассейна (по водоразделу) в модели было задано граничное условие II рода (непроницаемая граница, расход Q = 0). Исключением были приняты места пересечения реки (региональной дрены) и границы модели, для которого было задано граничное условие I рода с заданным напором (H = const).

Основным источником питания подземных вод является инфильтрационное питание.

В рассматриваемой гидродинамической модели водотоки и водоемы соответствуют граничному условию III рода.

Инфильтрационное питание было задано равномерным для всей области моделирования с учетом эвапотранспирации.

6.2.3. Геофильтрационные параметры.

После создания геологической модели рассматриваемого района фильтрационные параметры каждого из модельных слоев задавались в соответствии с фильтрационными свойствами пород и зон тектонических нарушений (таблица N 1).

Таблица N 1

Фильтрационные параметры геофильтрационной модели пункта
глубинного захоронения радиоактивных отходов

6.3. Разработка геомиграционной модели пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

При моделировании миграции радионуклидов в геологической среде учитывались следующие механизмы массопереноса и физико-химические процессы:

адвекция;

молекулярная диффузия;

гидродинамическая дисперсия;

радиоактивный распад с учетом цепочек;

сорбция (по изотерме Генри).

Геомиграционное моделирование проводилось на основе трехмерной геофильтрационной модели в нестационарной постановке. При прогнозном геомиграционном моделировании проводились расчеты распространения радионуклидов на 107 лет.

При моделировании миграции в рассматриваемых породах (гнейсы с переменной трещиноватостью) применена модель двойной пористости, в которой учитывается наличие в одном материале двух составляющих: канала и матрицы. Для каждого из материалов задаются свои параметры: пористость, коэффициент распределения.

В геомиграционной модели референтного ПГЗРО коэффициент распределения (как для матрицы, так и для каналов) для каждого радионуклида задавался единым. Это обусловлено тем, что порода, в которой расположен ПГЗРО, непроницаемая. Фильтрация идет по крупным трещинам (каналам) и зонам выветрелости вдоль трещин (матрица). Только поверхность породы участвует в ионном обмене.

Коэффициенты распределения, используемые в геомиграционной модели ПГЗРО, приведены в таблице N 2.

Таблица N 2

Значения коэффициентов распределения в горных породах

--------------------------------

<*> Radionuclide sorption from safety evaluation perspective. Proceedings of an NEA Workshop, Nuclear Energy Agency. Organisation for Economic Co-operation and Development. 1992.

6.4. Анализ чувствительности и неопределенности модели пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

В настоящей работе используется вариационный подход к оценке чувствительности, который предполагает, что вариация выходного результата характеризует его неопределенность, а вклад входного параметра в эту вариацию определяет меру чувствительности модели к его изменению.

В рамках многовариантных расчетов было построено более 4000 наборов параметров расчетной модели ПГЗРО, удовлетворяющих наложенным на значения взаимным ограничениям. Рассчитывались значения удельных активностей радионуклидов в точке наблюдения вплоть до 10000 лет. Расположение точки наблюдения приведено на рис. 6.

Рис. 6. Расположение точки наблюдения

Оценка чувствительности выполнена с использованием вариационного метода Соболя (индекс полного вклада). В качестве примера на рис. 7 приведены полученные значения индексов полного вклада параметров модели для радионуклида 36Cl. На рис. 8 приведен прямой вклад параметров модели в неопределенность расчетной оценки для 36Cl (белый участок на круговой диаграмме свидетельствует о присутствии совместного влияния групп параметров).

Рис. 7. Индексы полного вклада параметров модели

Рис. 8. Прямой вклад параметров модели в неопределенность
расчетной оценки (на примере 36Cl)

Из результатов оценки чувствительности расчетной модели следует, что коэффициенты фильтрации в разных слоях расчетной модели являются входными параметрами, которые оказывают наибольшее влияние на результат прогнозного расчета.

6.5. Калибровка геофильтрационной модели пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

Калибровка параметров фильтрации проводилась на основе общего представления о структуре потока подземных вод: поверхность вод повторяет поверхность рельефа, фильтрационный поток имеет направление от водораздела к дренам.

7. Анализ результатов прогнозного расчета оценки долговременной безопасности пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов.

В результате прогнозного моделирования были получены ореолы распространения радионуклидов во вмещающих породах. На рис. 9 приведено распределение объемной активности радионуклида 14C.

Рис. 9. Распределение объемной активности (Бк/м3) 14C
во вмещающих породах в момент времени t = 10 000 лет

Объемные активности радионуклидов в зависимости от времени в точке наблюдения приведены на рис. 10.

Рис. 10. Объемные активности радионуклидов
в точке наблюдения

В таблице N 3 приведены средние значения и диапазоны значений объемной активности радионуклидов на момент времени 104 лет.

Таблица N 3

Средние значения и диапазоны значений объемной
активности радионуклидов

Для расчета индивидуальных годовых эффективных доз облучения, получаемых критической группой населения, проживающей вблизи области разгрузки подземных вод, в результате потребления загрязненной воды и продуктов питания, а также внешнего облучения использовались коэффициенты, приведенные в таблицах N 4, 5.

Таблица N 4

Дозовые коэффициенты внутреннего и внешнего облучения
для продуктов растительного и животного происхождения,
растительного корма и рыбы

--------------------------------

<**> НРБ 99/2009 "Нормы радиационной безопасности"; Keith F. Eckerman and Jeffrey C. Ryman. External exposure to radionuclides in air, water, and soil. September, 1993; Safety Assessment Methodologies for Near Surface Disposal Facilities, Vol. 1, 2, IAEA, VIENNA, 2004.

Таблица N 5

Коэффициенты реконцентрации для продуктов растительного
и животного происхождения, растительного корма и рыбы

--------------------------------

<***> НРБ 99/2009 "Нормы радиационной безопасности"; Keith F. Eckerman and Jeffrey C. Ryman. External exposure to radionuclides in air, water, and soil. September 1993; Safety Assessment Methodologies for Near Surface Disposal Facilities, Vol. 1, 2, IAEA, VIENNA, 2004.

Результаты расчета индивидуальных годовых эффективных доз облучения критической группы населения приведены на рис. 11.

Рис. 11. Результаты расчета индивидуальных годовых
эффективных доз облучения критической группы населения,
проживающей вблизи области разгрузки подземных вод

Как видно из графиков на рис. 11, для критической группы населения, проживающей вблизи области разгрузки подземных вод района размещения ПГЗРО, не наблюдается превышение допустимого значения годовой эффективной дозы облучения, равного 10 мкЗв/год. Прогнозный расчет показал, что максимальная суммарная индивидуальная годовая эффективная доза облучения критической группы населения от ПГЗРО составляет 0,44 мкЗв/год. Радионуклидами, которые вносят максимальный вклад в эффективную дозу облучения, являются 14C, 129I, 79Se.

Таким образом, результаты прогнозного расчета, выполненного в рамках настоящего демонстрационного примера, свидетельствуют о долговременной безопасности референтного ПГЗРО для населения.