Прогнозное моделирование распространения радиоактивных веществ в насыпных дамбах бассейнов-отстойников жро



Скачать 76,47 Kb.
Дата29.06.2015
Размер76,47 Kb.
ПРОГНОЗНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В НАСЫПНЫХ ДАМБАХ БАССЕЙНОВ-ОТСТОЙНИКОВ ЖРО
Кораблева С.А., Истомин А.Д., Носков М.Д.

ФГОУ ВПО «Северская государственная технологическая академия», г. Северск

E-mail: ksa@ssti.ru


Изучение поведения радионуклидов в почвенном покрове является важной задачей с точки зрения экологической безопасности регионов, в которых расположены предприятия атомной промышленности. Радионуклиды могут попасть в почву в результате внештатных ситуаций, связанных с атмосферными выбросами и проливами радиоактивных веществ. Кроме этого в 50-70 годы для хранения жидких радиоактивных отходов (ЖРО), образующихся в процессе работы предприятий ядерного топливно-энергетического цикла, использовались поверхностные хранилища представляющие собой естественные (оз. Карачай) или специально созданные гидроизолированные водоемы [1].

На Радиохимическом заводе Сибирского химического комбината искусственные наземные хранилища – бассейны-отстойники Б-1 и Б-2 эксплуатировались в период с 1962-1964 г. по 1982 г. В период эксплуатации бассейны представляли собой гидротехнические сооружения, дно и стенки которого были покрыты специальным противофильтрационным экраном из многослойной укатанной глины. После исключения бассейнов Б-1 и Б-2 из цепочки обращения с ЖРО стала актуальной задача их ликвидации. Поверхностные хранилища ЖРО представляют повышенную экологическую опасность, поэтому было принято решение об их консервации путем засыпки бассейнов местным грунтом (рисунок 1) [2]. Для обеспечения безопасности консервации необходимо контролировать и прогнозировать поведение радионуклидов в насыпных дамбах бассейнов-отстойников. Поведение радионуклидов в грунте определяется различными взаимосвязанными физико-химическими процессами, происходящими в системе: газовая фаза-ЖРО-вмещающая порода. Вследствие сложности этих процессов для описания поведения радионуклидов целесообразно использовать методы математического моделирования. В данной работе представлена математическая модель, которая описывает основные процессы, происходящие в системе с учетом их нелинейного влияния друг на друга.

В системе, формирующейся в результате засыпки бассейна-отстойника, можно выделить две зоны (рисунок 2), отличающихся друг от друга физико-химическими процессами: ненасыщенная зона и насыщенная зона [3]. В насыщенной зоне в свою очередь можно выделить декантат, пульпу, засыпку, глиняный экран. Насыщенная зона состоит из вмещающей породы, все поровое пространство которой заполнено водной фазой. Уровень насыщенной зоны определяется фильтрацией, испарением-конденсацией, а также регулируется при помощи дренажных устройств. Поровое пространство в водоненасыщенной зоне заполнено водой и паровоздушной смесью. В бассейне-отстойнике формируется многофазная система жидкость-газ-твердая фаза, в которой можно выделить семь частей: вмещающая порода (0), жидкая фаза (1), лед (2), газовая фаза (3), ГРФ порода-жидкая фаза (4), ГРФ порода-лед (5) и ГРФ порода-газовая фаза (6). Везде в настоящей работе части системы нумеруются предложенным выше способом.

Для количественного определения доли порового пространства, занимаемого частью системы , используется понятие насыщенности SФ:


, (1)
где m – пористость; VФ – объем занимаемый фазой Ф; V – объем среды.
В системе имеют место такие фазовые переходы, как испарение-конденсация и кристаллизация-плавление. Полагается, что радионуклиды не переходят в газовую фазу при испарении воды. При замерзании воды радионуклиды остаются на поверхности вмещающей породы, контактирующей со льдом. Таким образом, радионуклиды могут находиться только в жидкой фазе и в адсорбированном состоянии на поверхности породы. В жидкой фазе количество i-го радионуклида описывается объемной активностью :
(2)
где – активность i-го радионуклида, находящегося в жидкой фазе. При определении объемной активности i-го радионуклида на поверхности породы , контактирующей с частью системы Ф = 1, 2, 3 полагается, что доля поверхности с которой контактирует часть системы Ф пропорциональна ее насыщенности:
, (3)
В насыщенной зоне движение жидкости происходит под действием перепада давления и гравитационных сил и определяется по закону Дарси [4]:
, (4)
где U1 – скорость фильтрации; k – абсолютная проницаемость; μ – вязкость воды;
ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения, z – вертикальная координата,
Р – давление. Движение жидкой фазы в ненасыщенной зоне определяется как гравитационными, так и капиллярными силами и может быть описано с помощью закона Клюта-Ричардса, которое выводится из обобщенного закона Дарси [5]:
, (5)
где – функция фазовой проницаемости жидкой фазы;  – потенциал капиллярного давления.
Плотность потока i-го радионуклида между жидкой фазой и поверхностью вмещающей породы в результате (адсорбции) десорбции рассчитывается в рамках приближения линейной кинетики, согласно которой пропорциональна отклонению от равновесного значения, определяемого с помощью изотермы Генри [4]:
, (6)
где – коэффициент распределения для i-го компонента между жидкой фазой и поверхностью вмещающей породы; – постоянная скорости массообмена между жидкой фазой и поверхностью вмещающей породы для i-го компонента.
Изменение объемной активности i-го радионуклида рассчитывается из закона сохранения массы:
, (7)
где – постоянная распада i-го радионуклида; – эффективный коэффициент диффузии i-го компонента в жидкой фазе.
Уравнение для расчета динамики температурного поля Т системы, записанное с учетом конвективного теплообмена, теплопроводности и энерговыделения в результате радиоактивного распада и фазовых переходов имеет вид:
(8)
Для прогнозирования миграции радионуклидов в грунте необходимо учитывать внешнее воздействие со стороны окружающей среды. К основным факторам внешнего воздействия относятся: изменение атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, атмосферные осадки. Естественные факторы (давление, температура, влажность) подвержены периодическим колебаниям (суточные, годовые циклы), а также случайным изменениям в соответствии с меняющимися погодными условиями. В настоящей модели для определения атмосферного давления, температуры поверхности земли и влажности атмосферного воздуха используются периодические граничные условия, описывающие суточные и сезонные колебания этих величин и позволяющие учесть внешнее воздействие на рассматриваемую систему. Интенсивность, продолжительность и время начала осадков задавались на основе данных метеорологических наблюдений, учитывая увеличение инфильтрации воды с поверхности весной в результате таяния снега. Дренаж определяется технологическим режимом работы бассейна-отстойника.

На основе численной реализации математической модели было разработано проблемно-ориентированное программное обеспечение, позволяющее моделировать вертикальную миграцию радионуклидов в бассейнах отстойниках ЖРО. Исследовались динамика температурного поля с учетом радиогенного энерговыделения, влияние различных физико-химических процессов (инфильтрации воды с поверхности, взаимодействие с вмещающей породой) на вертикальную миграцию радионуклидов.

На динамику температурного поля основное влияние оказывают годовые и суточные изменения температуры поверхности почвы. Суточные и годовые колебания температуры поверхности приводят к формированию температурных волн, распространяющихся вглубь почвы. Прохождение температурной волны сопровождается колебаниями температуры почвенного покрова. По мере увеличения глубины температурные волны затухают. Интенсивность затухания тем больше (соответственно глубина проникновения волн тем меньше), чем меньше период колебаний температуры на поверхности. Суточные колебания температуры приводят к изменению температуры только в приповерхностном слое грунта. Амплитуда суточных колебаний температуры уменьшается с глубиной и становится пренебрежимо мала на глубине 30 см (рисунок 3,а). Амплитуда годовых колебаний также уменьшается с глубиной. Глубина проникновения температурных составляет 1,5 м (рисунок 3,б).

а) в течение двух суток (июль): 1 – на поверхности; 2 – на глубине 5 см;

3 – 10 см; 4 – 15 см; 5– 20 см;

б) годовые колебания (в 12 часов дня): 1 – на поверхности; 2 – на глубине 20 см;

3 – 50 см; 4 – 1 м


Рисунок 3 – Изменение температуры на различной глубине:
Стронций обладает наиболее высокими миграционными свойствами среди рассматриваемых радионуклидов. Кроме этого период полураспада 90Sr достаточно большой ( 30 лет), поэтому контроль и прогнозирование миграции стронция является необходимым для обеспечения безопасности консервации бассейна. Миграция стронция определяется адвективным переносом с потоком жидкой фазы, диффузией, взаимодействием с вмещающей породой (сорбцией-десорбцией) и радиоактивным распадом.

При моделировании миграции 90Sr предполагалось, что в начальный момент времени область залегания стронция находится внутри слоя пульпы в области размером 20 см (рисунок 4). Коэффициенты распределения 90Sr между жидкой фазой и породой принимались для пульпы и глиняного экрана на порядок больше, чем для грунта и защитного слоя (рисунок 5).

Нисходящее движение жидкой фазы в защитном слое и глиняном экране приводит к смещению области нахождения стронция в нижнюю часть бассейна. Результаты моделирования распределения стронция в жидкой фазе в различные моменты времени показаны на рисунке 5.

После консервации бассейна-отстойника содержание стронция в нем уменьшается в основном в результате радиоактивного распада и удаления 90Sr с дренажом. Выход 90Sr за пределы насыпной дамбы через глиняный экран незначителен.





Проведен анализ физико-химических процессов, происходящих в многофазной многокомпонентной системе, состоящей из породы, жидких радиоактивных отходов и газовой фазы. Создана феноменологическая модель миграции радионуклидов в насыпных дамбах бассейнов-отстойников. Разработана математическая модель, учитывающая основные физико-химические процессы, определяющие миграцию радионуклидов в насыпной дамбе. На основе созданной математической модели разработано проблемно-ориентированное программное обеспечение, позволяющее моделировать миграцию радионуклидов, а также динамику температурного поля в насыпных дамбах бассейнов-отстойников
Список литературы
1 Пронкин Н.С., Шарафутдинов Р.Б., Ковалевич О.М. и др. Классификация водоемов-хранилищ жидких радиоактивных отходов по опасности // Атомная энергия, 2003. – Т. 94. – № 6. – С. 449-457.

2 Короткевич В.М., Зубков А.А., Козырев А.С. и др. Консервация открытых хранилищ среднеактивных отходов РХЗ // Материалы 6-й научно-технической конференции Сибирского химического комбината (в 3-х частях). Часть 3. Северск, 17-20 октября 2000 г. – Северск, 2001. – С. 73-78.

3 Носков М.Д., Истомин А.Д., Кораблева С.А. и др. Физико-химические процессы, определяющие поведение радионуклидов в насыпных дамбах бассейнов-отстойников ЖРО // Материалы 7-й научно-технической конференции Сибирского химического комбината (в 4-х частях). Часть 3. Северск, 22-25 октября 2002 г. – Северск: СГТИ, 2003. – С. 40-44.

4 Вабищевич П.Н., Данияров А.О. Математическое моделирование промачивания зоны аэрации в условиях близкого залегания грунтовых вод. // Математическое моделирование, 1994. – Т. 6. – № 11. – С. 11-24.



5 Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкостей через пористые среды. – М.: Гостоптехиздат, 1960. – 250 с.


База данных защищена авторским правом ©zubstom.ru 2015
обратиться к администрации

    Главная страница