способ контроля безопасности мест хранения радиоактивных отходов

Формула изобретения

Способ контроля безопасности мест хранения радиоактивных отходов путем определения концентрации несорбируемого иона в грунтах, окружающих захоронения, отличающийся тем, что в грунтах определяют содержание Cr(VI), а о безопасности мест хранения радиоактивных отходов судят по отсутствию Cr(VI) в прилегающих слоях грунта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к мониторингу окружающей среды и может быть использовано для определения области распространения техногенных солевых загрязнений от радиоактивных отходов, хранящихся в поверхностных геологических формациях. В этой области будут локализованы радиоактивные загрязнения.

Жидкие радиоактивные отходы (ЖРО), образующиеся при переработке отработавшего ядерного топлива, первоначально накапливались в наземных открытых хранилищах-бассейнах и затем направлялись на подземное захоронение. После внедрения прямой закачки ЖРО открытые хранилища с накопленными высокоактивными гидроокисидными осадками переоборудованы в закрытые приповерхностные хранилища путем засыпки бассейнов местным грунтом. Высокоактивные гидроокисные осадки зафиксированы между дном (искусственный глиняный экран высотой 1 м, над которым защитный слой супеси высотой 1.2 м) и насыпной дамбой (местный грунт высотой более 3 м). Распространение техногенных загрязнений вниз через экран (дно бассейна) обусловлено процессами фильтрации, а вверх, к поверхности насыпанной дамбы, - капиллярным подъемом и молекулярной диффузией.

В соответствии с концептуальными положениями обоснования безопасности процессы захоронения радиоактивных отходов в геологической среде должны быть обеспечены контролем. Выбору методов контроля должно предшествовать исследование поведения компонентов отходов при взаимодействии с пластовыми водами и горными породами. Одним из главных требований безопасности захоронения РАО являются локализация и ограничение распространения компонентов отходов в пределах заранее устанавливаемых границ геологической среды. Область распространения отходов определяется компонентами, невзаимодействующими с породами, которые находятся в краевых частях залежи отходов. В результате сорбционных процессов, приводящих к переходу радионуклидов из жидкой фазы в минеральный скелет породы или в виде осадков на ее поверхности, происходит их задержка, и область их распространения оказывается меньше области распространения несорбируемых ионов. В случае засыпанных бассейнов область распространения отходов ограничивается выходом компонентов, содержащихся в гидроокисных осадках, на поверхность насыпанных дамб и за глиняный экран. Особое место в системе контроля занимает обнаружение ранних признаков появления загрязнений.

Известен способ определения контура распространения техногенных солевых загрязнений [RU №2111561, G 21 F 9/00, 1998].

Контур распространения определяют путем анализа пластовых вод на содержание ионов кальция и/или магния. Концентрационный фронт щелочноземельных элементов движется впереди концентрационного фронта нитрата натрия. Увеличение концентрации щелочноземельных элементов в сравнении с естественным уровнем позволяет оперативно определять, в каком направлении и на каком расстоянии происходит распространение техногенных солевых растворов.

Этот способ не может дать истинной области распространения солевого загрязнения от гидроокисных осадков за счет фильтрации, капиллярного подъема и молекулярной диффузии, так как в процессе засыпки бассейна грунт пропитывается и загрязняется нитратом натрия, содержащимся в декантате бассейна, а пригрузочный слой супеси пропитан нитратом натрия за время эксплуатации бассейна.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения области распространения отходов по распространению ионов, не взаимодействующих (несорбируемых) с породой, например нитрат и хлор ионов [Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. М.: ИздАТ, 1994, 256 с.]. Этот способ используется для определения области распространения отходов в процессе эксплуатации полигонов глубинного захоронения. Для этого используют определение нитрат иона, так как его концентрация в отходах многократно больше концентрации в пластовой воде и грунте. Этот способ (прототип) не может быть использован для определения области загрязнений от гидроокисных осадков, если прилегающие грунты уже пропитаны и загрязнены нитратом натрия.

Задачей изобретения является разработка способа контроля безопасности мест хранения радиоактивных отходов.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля безопасности мест хранения радиоактивных отходов путем определения концентрации несорбируемого иона в грунтах, окружающих место хранения, определяют концентрацию шестивалентного хрома, а о безопасности мест хранения радиоактивных отходов судят по отсутствию Cr(VI) в прилегающих слоях грунта.

Грунты, окружающие места хранения, не содержат соединений хрома, но гидроокись трехвалентного хрома входит в состав радиоактивных отходов. Загрязненность местности устанавливают при наличии в грунте Cr(VI).

Предлагаемый способ контроля безопасности мест хранения радиоактивных отходов имеет технические преимущества перед известными способами. Он позволяет определить область загрязнений от радиоактивных гидроокисных осадков в грунтах, содержащих нитрат натрия. Способ прост при его реализации, малотрудоемкий и обладает высокой чувствительностью.

Нами установлено, что гидроокись трехвалентного хрома, входящая в состав гидроокисных осадков, под воздействием перекиси водорода окисляется до шестивалентного состояния. Перекись водорода появляется в межпоровой жидкости гидроокисных осадков за счет радиационно-химических процессов при воздействии ионизирующих излучений на воду.

При экспериментальной проверке готовили четыре серии (по 6 проб в каждой серии) двухфазных проб раствор - гидроокись хрома (400 мг/л в пересчете на Cr³⁺). Водная фаза в каждой пробе имела свой состав с тем, чтобы охватить диапазоны значений рН и концентрации перекиси водорода, наблюдаемые в реальных условиях. Пробы тщательно перемешивали. Через 3 суток определяли содержание хрома (VI) в жидких фазах фотометрическим методом с дифенилкарбазидом. Результаты приведены в табл.1.

Результаты табл.1 показывают, что в выбранном диапазоне рН растворов в присутствии следовых концентраций перекиси водорода гидроокись трехвалентного хрома окисляется до шестивалентного хрома.

Установлено, что радиационные выходы перекиси водорода в очищенной воде (NaNO₃=0,1-1,0 моль/л) находятся в пределах 0,5-0,65 молекул на 100 эВ в деаэрированных растворах и в пределах 0.7-0.8 молекул на 100 эВ в аэрированных растворах [Куликов И.А., Владимирова М.В. //Химия высоких энергий. 1975. Т.9. С.228, 535].

Расчетная оценка возрастания концентрации перекиси водорода в межпоровой жидкости высокоактивных гидроокисных осадков за счет радиационных эффектов дала значения, равные 5-10 мг/л·сутки.

Кроме того, нами установлено, что шестивалентный хром не сорбируется грунтом, является устойчивым в рассматриваемой области рН, и его распространение показывает область распространения солевых загрязнений за счет процессов фильтрации, капиллярного подъема и молекулярной диффузии после засыпки гидроокисных осадков. Для этого приготовили 7 двухфазных проб грунта (местный грунт из карьера) - раствор. Навески грунта массой по 28 г поместили в конические колбы, залили в них по 140 мл раствора состава: 30 г/л NaNO₃, 5 г/л Na₂CO₃, 100 мг/л Cr(VI) (в виде К₂CrO₄). Тщательно перемешали и провели доводку значений рН проб с помощью концентрированной HNO₃ и раствора NaOH 5 моль/л.

Таблица 2
Устойчивость хрома (VI) в системе раствор-грунт в зависимости от времени выдержки при различных значениях рН раствора
№		0		13				25				35				60
Пробы		суток		суток				суток				суток				суток
				рН		Cr(VI),		pH		Cr(VI),		рН		Cr(VI),		pH		Cr(VI),
		рН				мг/л				мг/л				мг/л				мг/л
1		11,5		11,1		100,7		10,6		102,0		10,4		102,0		9,8		100,0
2	10,0		9,9		101,7		9,8		102,3		9,7		102,0		9,6		100,0
3	9,0		9,0		100,7		9,1		102,0		9,2		102,0		9,3		100,0
4	8,5		8,9		100,7		9,0		101,3		9,1		102,0		9,2		100,0
5	7,5		8,7		100,7		8,9		101,3		9,1		100,0		9,1		99,7
6	7,0		8,4		102,0		8,8		102,0		9,0		100,0		8,9		100,0
7	6,0		8,1		100,7		8,3		102,0		8,5		100,0		8,4		99,7

В процессе выдержки двухфазных проб грунт - раствор периодически определяли значения рН водной фазы и содержание в ней хрома (VI).

Результаты табл.2 показывают, что концентрация шестивалентного хрома в исследуемом диапазоне рН не изменяется, что свидетельствует об устойчивости шестивалентного хрома и отсутствии его сорбции на грунте. Разброс результатов укладывается в погрешность метода анализа.

Пример 1. Определение области распространения солевых загрязнений при капиллярном подъеме.

Пробы местного грунта, взятые по высоте карьера, усредняли, измельчали и высушивали. Грунтом набивали стеклянную трубку, которую снизу закрывали слабо уплотненным ватным тампоном и обвязывали лавсановой тканью. Нижней частью трубку помещали в раствор следующего состава: нитрат натрия - 80 г/л, сода - 5 г/л, Cr(VI) - 1 г/л. По движению границы, разделяющей сухой и влажный грунт, следили за динамикой капиллярного подъема. Функциональная зависимость высоты капиллярного подъема от времени показана на фиг.1. После прекращения подъема границы трубку разрезали на примерно равные 10 частей. Грунт из каждой части извлекали и взвешивали. Затем сушили и определяли влажность. Делали водные вытяжки при соотношении Т:Ж=1:5. В водных растворах определяли нитрат ион, pH, Са и Cr(VI). Распределение компонентов по высоте колонки при капиллярном подъеме приведено на фиг.2. Величина множителя (10ⁿ) оси ординат для значений различных компонентов равна Cr(VI) - 10⁰, Са - 10 ⁰, NO₃ - 10², влажность грунта - 10^-1.

Результаты, приведенные на фиг.2, показывают, что области распространения нитрат иона и шестивалентного хрома совпадают, и шестивалентный хром может использоваться как метка при определении области солевых загрязнений.

Пример 2. Определение области распространения солевых загрязнений при глубинном захоронении жидких радиоактивных отходов.

Декантат открытого хранилища подвергался глубинному захоронению через нагнетательную скважину в пласт-коллектор, находящийся на глубине 338 м. Состав декантата: нитрат натрия - 24,8 г/л, хром шестивалентный - 35,3 мг/л, -активность - 5,5·10^-3 Ки/л. Через наблюдательную скважину, находящуюся в 55 метрах от нагнетательной, ежедневно отбирали пробы межпоровой жидкости и проводили анализ. Выходные кривые по результатам анализов, полученных в пробах из наблюдательной скважины, представлены на фиг.3. Полученные результаты показывают, что шестивалентный хром появился в пробах на четвертый день и практически обозначил область распространения солей такую же, как нитрат натрия. Значения множителей оси ординат m×10 ⁿ: NaNO₃ - 1/3×10³, Mg - 1×10 ¹, Ca - 1/3×10¹ Cr(VI) - 1×10 ^-2, -активность - 1×10^-8.

Пример 3. Определение области загрязнений от компонентов от гидроокисных осадков на засыпанном бассейне.

Точечный отбор образцов нарушенного сложения грунта по высоте насыпной дамбы и защитного слоя выполнялся в процессе проходки скважины. Из зоны, ненасыщенной водой до глубины 1.8 м, образцы отбирались с интервалом в 0.4 м, а из водонасыщенной зоны с интервалом в 0.5-1.0 м.

Анализ на содержание компонентов проводили из навесок воздушно-сухих проб после определения влажности. Альфа-, бета-активность, мощность экспозиционной дозы (МЭД) определяли из кислотных вытяжек. Солесодержание, нитрат натрия, рН растворов, шестивалентный хром определяли из водных вытяжек. Анализ отобранных проб позволил определить распределение стабильных элементов и радионуклидов. Результаты анализов показывают, что в процессе продолжительной (˜10-тилетней) выдержки не произошло гомогенное смешение гидроокисных осадков и грунта - основы насыпной дамбы. Гидроокисные осадки сверху прикрыты грунтом дамбы, а снизу - грунтом пригрузочного слоя. В насыпной дамбе и в пригрузочном слое наблюдаются спадающие ветви концентрационного распределения компонентов, входящих в состав высокоактивных гидроокисных осадков. Результаты анализа проб в зависимости от глубины отбора кернов грунта приведены на фиг.4. Значения множителей m×10 ⁿ: МЭД - 1×10^-2. -активность - 1×10^-3, -активность - 1×10^-2. Cr - 0.25×10⁰, NO ₃ ^- - 0,68×10³.

Результаты показывают, что область распространения шестивалентного хрома (время выдержки засыпанного хранилища 10 лет) охватывает более узкую полосу, чем область распространения нитрата натрия. Значительно более широкая полоса нитрата натрия вниз от максимума обусловлена фильтрационными процессами за время эксплуатации и выдержки (30 лет) открытых хранилищ жидких радиоактивных отходов. Распределение шестивалентного хрома позволяет судить об области солевых загрязнений, распространяющихся от места нахождения гидроокисных осадков после их засыпки местным грунтом.