МЕХАНИЗМ МАСОПЕРЕНОСА РАДИОНУКЛИДОВ В ПОЧВЕ И ХРАНИЛИЩ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Тиллобоев Хакимджон Ибрагимович

канд. хим. наук, доцент ХГУ, г. Худжанд

E-mail: tilloboev-2006@mail.ru

Беззубов Николай Иванович

канд. техн. наук, доцент ГМИТ, г. Чкаловск

Очилова Фотима Хамдамовна

канд. биол. наук, доцент ХГУ, г. Худжанд

В процессе деятельности предприятия ГП «Востокредмет» по добыче и переработке урановых руд образовался ряд хранилищ радиоактивных отходов. Некоторые из них являются открытыми и представляют потенциальную опасность распространения радиоактивного загрязнения. Как показано в работе [4, с. 172],, основным радиоактивным элементом хвостохранилищ является Ra-226 и продукты его распада. Предлагаемая модель описывает процессы миграции, накопления и распада радиоактивных элементов в следующей цепочке радионуклидов:  Ra-226→Rn-222→Pb-210→Po-210, (рис. 1)

Рис.1 Цепочка распада радиоактивных элементов ряда Ra-226

Радионуклиды Ra-226, Pb-210, Po-210 поступают в систему из атмосферного воздуха в виде аэрозолей, оседающих на поверхностный слой почвы. Здесь происходит их накопление и распад. Одновременно с этими процессами за счет атмосферных осадков происходит миграция радионуклидов в нижележащие слои.

В основу модели положены исследования активности грунтов, проведенные в шурфе, пройденном на расстоянии 200 м к северу от хвостохранилища «Дигмайское». Хвостохранилище является открытым и процессы миграции радионуклидов играют здесь значительную роль.

По результатам исследований можно условно выделить три слоя грунтов. Первый это поверхностный Активность этого слоя максимальна и составляет порядка 3000 Бк/кг слой мощностью 10 см.. Второй подстилающий слой имеет мощность 20 см и активность около 900 Бк/кг. И третий слой неограниченной мощности обладает практически фоновыми значениями активности. Этот слой непосредственно связан с грунтовыми водами. Таким образом, графически модель можно представить в виде нисходящей диаграммы (рис. 2).

Рис. 2 Диаграмма физико-химического массопереноса радиоактивных загрязняющих веществ

Предложенная модель может быть реализована с помощью программного комплекса «Ecolego». Несомненным преимуществом данного комплекса является то, что в его состав входит математический аппарат, позволяющий автоматически учитывать процессы распада и накопления различных радиоактивных изотопов. На рис. 3 представлена матрица взаимодействия модели в системе  «Ecolego».

Она состоит из четырех диагональных блоков и трех над-диагональных. Диагональные блоки представляют различные элементы экосистемы. Это атмосфера (Atmosphere), поверхностный слой (Soil 1), подстилающий слой (Soil 2) и глубокие слои почвы (Sink). Над-диагональные блоки, Flux 1, Flux 2, Flux 3, представляют передок загрязняющих веществ из одного элемента экосистемы в другой.

Математическая модель, описывающая миграционные процессы, состоит из системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений. Процессы «распада/накопления» в уравнениях не отражены, поскольку, как отмечено выше, они учитываются автоматически. Изменение содержания радионуклидов описывается дифференциальным уравнением вида:

где A_Soil1 – содержание радионуклидов в поверхностном слое почвы, Бк/кг;

Input –, скорость поступления радионуклидов Бк/м² год;

TC1 – скорость переноса радионуклидов из поверхностного слоя в подстилающий слой почвы, 1/год. В подстилающем слое почвы изменение содержания радионуклидов представлено в следующем уравнении:

где   A_Soil2 – содержание радионуклидов в подстилающем слое почвы, Бк/кг;

TC2 – скорость стока из подстилающего слоя в более глубокие слои, 1/год.

Для решения данной системы уравнений необходимо определить значения скорости поступления радионуклидов Input и транспортных коэффициентов TC1и TC2. Скорость поступления для Ra-226 может быть определена из следующих соображений.

Рис. 3 Матрица взаимодействия модели переноса радиоактивного загрязнения

Период полураспада Ra-226 весьма велик и его влиянием на содержание радия в почве можно пренебречь. Таким образом, суммарная активность грунтов, превышающая фоновые величины, обусловлена поступлением радия за период эффективной эксплуатации хвостохранилища. На момент проходки шурфа (1993 г.) хвостохранилище эксплуатировалось около 40 лет. Однако режим эксплуатации в течение этого срока был различен. В первое время шло интенсивное заполнение чаши, пляж отсутствовал, и пыление было минимальным. Затем интенсивность пыления возросла и достигла максимума на момент полного осушения прудка. В последние годы интенсивность пыления несколько снизилась в связи с образование глинистой корки на поверхности хвостохранилища. Эффективное время эксплуатации хвостохранилища на 1993 год может быть ориентировочно принято равным 20 годам. Расчетная скорость поступления радионуклидов этом случае составляет 2,4*10³ Бк/м² год. Для изотопов Pb-210, Po-210 скорость поступления может быть рассчитана исходя из их активности по отношению к радию определенному для Дигмайского хвостохранилища [2, с. 164] и составляет 3,5*10³ и 3,3*10³ Бк/м² год соответственно.  Транспортный коэффициент для первого слоя принят равным 0,1 год^-1 по литературным данным [3, с. 18], а для второго слоя определен эмпирическим путем исходя из сопоставления активности первого и второго слоя. Коэффициент для второго слоя равен 0,2 год^-1, его более высокое значение по сравненью с первым слоем связано с отсутствием во втором слое гумусовой фракции и, соответственно, большей проницаемостью. В результате моделирования получены зависимости активности изотопов во времени в поверхностном и подстилающем слоях (рис. 4).

Рис.4 Изменение активности радиоактивных изотопов в почве по результатам моделирования

Анализируя данные можно сделать вывод, что процессы переноса и распада играют различную роль для каждого из радионуклидов. Период полураспада изотопа Ra-226 составляет 1602 года. Естественно, что в обозримом  будущем процессы распада не могут сколько-нибудь значительно влиять на концентрацию Ra-226 в почве, ведущую роль здесь играют миграционные процессы. Период полураспада изотопа радона Rn-222 составляет 3,8 суток и это определяет его поведение. Концентрация радона полностью зависит от концентрации радия, Ra-226 и Rn-222 в данной экосистеме находятся в радиоактивном равновесии, кривые активности этих изотопов на графике совпадают. Изотоп Pb-210 имеет период полураспада 22,3 года. На его активность влияют как процессы распада, так и процессы переноса. Кривые активности изотопа Po-210 (период полураспада 138,4 суток) практически совпадают с кривыми Pb-210, что говорит о состоянии близком к равновесному.

Рассматривая активность изотопов во времени можно выделить два временных отрезка. Первый, до 20 лет, характеризуется активным накоплением изотопов, как в первом, так и во втором слое.

Рис. 5 Распределение радиоактивного загрязнения с глубиной

По мере накопления интенсифицируются процессы распада и переноса при неизменной скорости поступления радионуклидов из атмосферы. Как следствие скорость накопления снижается и, в конечном итоге накопление фактически прекращается. Это подтверждается практическими наблюдениями. По результатам радиометрической съемки в последние годы площадь распространения радиоактивного загрязнения не увеличилась, а на некоторых участках отмечено некоторое ее сокращение.

На рис. 5 показано распределение радиоактивного загрязнения с глубиной (по Ra-226), полученное по результатам моделирования и фактических измерений. Отмечается вполне удовлетворительное соответствие теоретических и практических данных.

Рис. 6 Прогнозное снижение активности изотопов после проведения

На рис. 6 показаны кривые снижения активности изотопов в грунте с течением времени. Сравнивая активность радия с допустимыми нормами [1, с. 527] можно определить что, данные грунты могут быть использованы в строительстве в качестве материала класса III (дорожное строительство вне населенных пунктов) спустя пять лет, как материал класса II через 15 лет, и через 22 года может быть использован без ограничений как материал класса I с активностью менее 370 Бк/кг.

Таким образом, предложенная модель адекватно описывает поведение экосистемы в условиях распространения радиоактивного загрязнения и может быть использована для прогнозов развития событий по различным сценариям. Одним из сценариев может стать проведение рекультивационных работ, в результате которых тело хвостохранилища будет укрыто слоем нейтрального грунта. В этом случае пыление и радоновыделение будет полностью исключено.

Список литературы:

1.Нормы радиационной безопасности (НРБ-06). СП2.6.1.001-06. Душанбе: АЯРБ, 2006.- 172 с.

2.Предварительный отчет. Региональный проект технического сотрудничества «Безопасное управление отходами добычи и переработки урановых руд в странах Центральной  Азии, МАГАТЭ, Вена: 2008. - 164 с.

3.Упражнения к руководству пользователя «Ecolego»: Материалы рабочего семинара, Алма-Ата: 2009.- 18 с.

4.Юнусов М.М., Беззубов Н.И., Тиллобоев Х.И., Ковыршин С.Г. Физико-химическая характеристика отходов Дигмайского хвостохранилища, Душанбе: Доклады АН РТ, 2007. - № 6, С. 527—531.