автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Основы нормирования сбросов жидких радиоактивных веществ во внешнюю среду

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ЭНЕРГИЯ"

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ IX) ЭКСПЛУАТАЦИИ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

(ВНИИАЭС)

КОНОНОШЧ Александр Львович

ОСНОШ НОРМИРОВАНИЯ СБРОСОВ ЖИДКИХ РАДИО Акта ШЫХ ВЕЩЕСТВ ВО ШЕЮНЮЮ СРЕДУ

05.26.01 - Охрана труда и пожарная безопасность

На правах рукописи УДК 621.039.586

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г.Москва

1991 г

Работа выполнена в Научно-производственном объединении "Энергия"

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Маргулис У.Я.

доктор физико-математических на;у профессор Сивинцев Ю.В.

доктор биологических наук, профе< академик РАСХН Алексахин P.M.

Ведущая организация - Московский государственный

университет им Ломоносова И.В.

Завулта диссертации состоится fc^/ 199 ¿С-

часов на заседании специализированного Совета

Д.021.03.01 при^ВЦНИИОТ ВКЛ по адресу: 119829, Москва. Оболенский пер.. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке институ

Автореферат разослан

199^

Ученый секретарь специализированного

^^ахманов Б

Совета, доктор технических наук

• - ' ... ( ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Бурное развитие промышленности и связанное с ним неизбежное антропогенное воздействие на среду обитания привело к необходимости постановки научных исследований, посвященных охране окружающей среды, в частности, - охране от сбросов и выбросов радиоактивных веществ. Поскольку полностью избежать радиоактивных сбросов и выбросов на предприятиях атомной промышленности невозможно, вопрос о нормировании поступления эадионуклидов во внешнюю среду столь же важен, как и разработка методов уменьшения сбросов и выбросов.

Задача учета и нормирования радиационного воздействия АЭС 1а окружающую среду распадается на две взаимосвязанные составные 1асти. I) Необходимо рассмотреть каналы и механизмы миграции ра-;ионуклидов во внешней среде. 2) Требуется оценить последствия ¡оздействия радиации на природные объекты и установить допустимые ределы воздействия. К семидесятым годам была выработана некоторая хеыа решения этой задачи, ставшая к тому времени традиционной. В эрвой части задачи она опиралась на рассмотрение пассивного раз-авленик, сорбции и резорбции. Во второй части задачи нормирование зходило из учета прямого воздействия на здоровье человека. При жом подходе с одной стороны игнорировались специфические есте-'венные процессы концентрирования. сопровождающие очень большие избавления сточных вод. с другой стороны не принималось во внима-е взаимодействие элементов биоценоза между собой.

При расчетах по такой схеме получается, что факторы разбавле-я неограниченно возрастают с ростом объема сбросных вод. Следова-льно. предельно допустимый сброс (НДС) ограничивается только техническими возможностями объекта (доствка чистой воды для раз-

бавления). В работах соискателя показана ошибочность такого подхода.

Следствием учета только прямого влияния радиоактивного загрязнения на здоровье людей, реализуемого за счет внутреннего и внешнего облучения органов человека, явился узкий антропоморфный подход к нормированию.

Автором разработан метод учета как прямого, так и косвенного влияния загрязнения на здоровье человека. Одновременно показано, что охрана биоценоза, состояние которого является важным фактором косвенного влияния, имеет большое значение для нормирования радиоактивных сбросов.

Таким образом. к моменту начала настоящего исследования не были решены следующие принципиальные задачи по охране окружающей среды. Первое - не был решен вопрос о физических аспектах формирования загрязненности водных систем в плане предельных возможностей уменьшать опасность радиационного воздействия путем разбавления. Не было приемлемого с практической точки зрения метода учета формирования загрязнения в сложных водных системах. И не было практически приемлемых методов нормирования радиоактивных сбросов, учитывающих взаимодействие элементов биоценоза. Решение этих задач привело к новым фундаментальным результатам в области изучения влияния жидких радиоактивных сбросов на окружающую среду.

Цель исследования - рассмотреть закономерности формирования загрязненности естественных водных систем при сбросе радиоактивных веществ и сформулировать требования, позволяющие обеспечить радиационную безопасность населения и сохранения нормальной обстановки в регионе. Разработать алгоритмы и методы расчета, позволяющие определить технологические характеристики сброса, обеспечивающие

сохранение нормальной обстановки во внешней среде.

В -оде работы решены следующие конкретные задачи:

1. Разработана методология рассмотрения процесса миграции радиоактивных примесей в естественных водных потоках применительно к растворимым и нерастворенным формам. В основу модели миграции нерастворенных частиц положена известная модель Леви-Караушева. Однако, как показано автором работы, модель Леви-Караушева качественно противоречива для мастиц малых размеров. Автор изменил «одель Леви-Караушева таким образом, что противоречие было ликвидировано.

2. Теоретически показано, что в системе взаимосвязанных водоемов экстремальные участки загрязнения донных отложений могут {аблюдаться как внутри, так и вне того водоема, в который проис-содит сброс. Установлено, что при нормировании необходимо рассма-гривать системы рек и озер как единую взаимодействующую систему. 3азработана методология анализа водных систем при расчете допус-'ишх сбросов.

3. Показано, что разбавление сбросных вод может уменьшать опасность для сроды обитания лишь до некоторого предела. Вскрыты :екоторь:е причины дополнительного концентрирования, сопровождаю-его очень большие разбавления. Вводится понятие "радиационной мкости" водной системы, как некоторой физической величины и аются методы ее вычисления.

4. На основе теоретического анализа гипотетической модели иоценоза и обших закономерностей эволюции экосистем сформулирована овал концепция нормирования сбросов, альтернативная нормированию

э "наиболее слабому звену биоценоза". При наличии большого коли-зства поражаемых звеньев, нормирование по "наиболее слабому звену" эжет оказаться недостаточным. Разработан приближенный метод

нормирования, учитывающий взаимодействие элементов биоценоза межд собой.

Научная новизна работы заключается в создании концепции нормирования жидких сбросов, учитывающей взаимосвязанность объектов естественной водной системы. Впервые вскрыт механизм добавочного концентрирования радиоактивных примесей, сопровождающего сверхбольшие разбавления. На отой основе впервые дано четкое физическое обоснование понятию "радиационной емкости".

Впервые записано определение допустимого сброса радиоактивных веществ в матричной форме и разработан метод расчета матричньг, элементов радиационной емкости. Такая запись необходима при нормировании сброса с учетом взаимосвязи элементов водной системы.

Введенная автором "радиационная емкость" является более общи» и четко определенным понятием, чем сходная величина "радиоэколо- . гической емкости", введенная Крышевыы И.И. "Радиационная емкость", введенная автором, более удобна в плане прикладной инженерной задачи нормирования сброса радиоактивных веществ, чем сходнще понятия "радиоэкологической.емкости", введенное Крышеаым.И.И., и "экологической емкости", введенное Поликарповым Г.Г., Егоровым В.П. и Заикой В.Е.

Впервые предложен способ нормирования загрязненности природных объектов с учетом взаимодействия элементов биоценоза между собой.

Теоретическая значимость работы заключается в создании единой инженерной концепции нормирования допустимого сброса жидких радиоактивных веществ, учитывающей физико-гидродинамические аспект проблемы, различие радиочувствительности элементов биоценоза и влияние различных естественных факторов, включая сезонные изменения состояния гидросистем.

Практическое значение. В результате выполненных исследований ¡ыла разработана методика расчета НДС и ДС для атомных электро-:танций. По разработанной методике были рассчитаны величины допус-. •имых сбросов для Кольской,.Смоленской, Чернобыльской, Балановской, !алининской. Южноукраинской, Курской, Игн§линской и БелоярскоЙ АЭС. 'езультаты внедрены в практику работы АЭС, о чем имеются акты недрения.

Автор защищает:

1. Научное обоснование понятия "радиационная емкость" как еры способности естественной водной системы к самоочистке.

2. Методологический подход к расчету предельно-допустимых бросов радиоактивных веществ, принципиально отличающийся от приятых ранее подходов тем, что в основу положено определение радиа-ионной емкости. В работе показано, что использование чистой.воды ля разбавления не дает возможности безопасно« превысить ЦЦС, лределяемый радиационной емкостью.

3. Метод расчета радиационной емкости естественных водных 1стем, отличающийся тем, что введенная автором матричная запись эдиационной емкости и алгоритмы вычисления матричных элементов тчительно упрощают решение задачи.

4. Обобщение принципа Аверьянова, позволишее применить его рассмотрению радиационного воздействия на биоценозы.

5. Метод экологического нормирования, основанный на расчете "носительного изменения индекса качества состояния биоценоза, шнципиально отличающийся от принятого ранее нормирования по :лабому звену биоценоза". Предложенный метод учитывает, что односменное нанесение незначительного ущерба большому числу элементов оценоза может оказаться существенным для экосистемы в целом.

Апробация работы. Главные положения и основные материалы диссертации были доложены на следующих конференциях и совещаниях.

1. Всесоюзное научно-техническое совещание "Проблемы радиационного контроля АЭС"

Армянская ССР, пос.Мецамор. 21-24 октября 1980 г.

2. Всесоюзная конференция "Радиационная безопасность населения и защита окружающей среды в связи с эксплуатацией АЭС".

г.Дмитровград. 26-28 мая 1981 г.

3. Всесоюзная научно-техническая конференция "Системы и средства радиационного контроля АЭС'Ч.

Пос.НовоВоронеж. 16-18 октября 1984 г.

4. Четвертая Всесоюзная научно-практическая конференция по радиационной безопасности (КРБ-4).

г.Москва. 1984 г.

5. Рабочий коллоквиум "Надежность экологических систем".

г.Киев. 14-16 октября 1986 г.

6. Всесоюзное совещание "Радиоэкологические исследования в зоне АЭС".

Пос.Заречный Свердловской обл. 2-4 июля 1985 г.

7. Пленум Научного совета АН СССР по проблемам радиобиологии.

Пос.Заречный Свердловской обл. 8-12 июня 1987 г.

8. Второй международный семинар "Методы биоиндикации окружающей среды в районах АЭС".

Г.Сочи (Дагомыс). 14-19 декабря 1987 г.

9. Семинар Ядерного общества СССР "Экология АЭС".

г.Одесса. 1-Ю июня 1991 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы. В первой главе дано обоснование

еобходимости постановки настоящего исследования. Главы.со второй о шестую написаны по материалам комплекса исследований,выполнеи-ых автором диссертации. Основной текст изложен на 231 странице, ключая 34 таблицы и 24 рисунка. Список литературы включает 288 азваний, из них 45 на иностранных языках.

Материалом для диссертации послужили результаты исследований, роведенных автором в 1976-1989 гг. в НПО "Энергия" Минатомэнерго-рома, по теме НИР: Разработки средств и мероприятий по охране кружагашей среды от радиоактивного загрязнения. .

КРА1К0Ё СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Основы охраны окружающей среды от радиоактивного загрязнения

В первой главе дан обзор состояния проблемы к моменту начала астоящего исследования и обоснована необходимость исследования, эрмирование сбросов радиоактивных веществ во внешнюю среду должно читывать прямое и косвенное влияние радиации на трудоспособность аселения. Последнее рассматривает воздействие на человека как на цемент. взаимодействующий со средой обитания и зависящий от со-гояния экосистемы. В результате экологическое нормирование стано-1тся составной частью охраны трудоспособности населения. Важнейшей эставной частью экологического нормирования является прогноз фор-грования поля радиоактивного загрязнения. Основным методом учета ютространения радиоактивных веществ в естественных водных потоках >и нормировании сбросов является математическое и физическое иодирование миграции радиоактивных.примесей. Математические модели, :пользуемые при расчетах ДС и ЦДС, условно можно разбить на три ювня по степени обобщенности. Первый, наиболее общий уровень, лючает в себя рассмотрение процессов в рамках модели турбулентной

диффузии. Полностью описать процессы массопереноса, исходя из общих принципов гидродинамики турбулентного потока, до настоящего времени не удалось из-за сложности явления. В результате модели первого уровня общности содержат феноменологические параметры, которые доопределяются из дополнительных соображений.

В практике решения задач переноса уже для моделей первого уровня делаются упрощения для некоторых типов потоков. Наибольшее распространение получило допущение об универсальности распределения примесей по вертикали для водоемов типа рек и каналов, что приводит к двухмерной, так называемой "плановой задаче". Краевые условия на дне в этом случае заменяются линейными членами, входящими в дифференциальное уравнение, Рассматриваются две фазы - загрязнение воды и донных отложений, что приводит к двухкомпонент-ному уравнению

где Ср - удельная активность воды; t - время;

У - скорость течения; _ Л - постоянная распада; К - тензор турбулентной диффузии; V - оператор Гамильтона; р - концентрация примеси в донных отложениях; И^ - скорость влечения донных отложений; Р ~ феноменологические параметры, характеризующие обмен между фазами,

- глубина;

- толщина "подвижного" елок донных отложений;

Вид уравнения сходен для растворенных и нерастворимых примесей, но смысл феноменологических параметров и ß различен. В таком виде уравнения приведены во многих руководствахв частности. в рекомендациях МАГАТЭ, однако они не позволяют получить конкретный результат из-за неопределенности феноменологических параметров.

Модели второго уровня рассматривают локальные процессы и позволяют определить феноменологические параметры, необходимые для эписания миграции. Они опираются на дополнительные упрощающие тредположения. а также эмпирический материал, что суживает область ix применимости. Приводится обзор методов расчета коэффициентов гурбулецтной диффузии, а также расходов взвешенных и влекомых îaHocoB. применяющихся в нашей стране. Но эти методы в основном !аправлены на учет движения макроскопических количеств. В резуль-'ате их непосредственное применение не позволяет рассчитать "в юб" феноменологические параметры, характеризующие перераспределе-¡ие радиоактивных примесей. Способ связи феноменологических пара-етров и макроскопических, полуэмпирических характеристик рассмо-рен автором во второй главе.

Третий, наиболее частный уровень моделей используется для писания процессов в конкретных водных системах. В этом ключе удержаны, например, методики расчета допустимых.сбросов, выпушен-je в нашей стране Писаревым Б.В.. Струэнзе Р.Л., Дельвиным Н.И.. ябизовым И.С., Егоровым Ю.А., Казаковым C.B.. Павловским O.A., зачевым Н.И. и Богдановой J1.C. Однако упомянутые методики не осматривают взаимодействие элементов водных систем между собой, ?о ограничивает их применимость для нормирования сбросов.

Таким образом, к началу выполнения настоящей работы были хоро-| известны методы общего описания миграции нуклидов в естественных

водных потоках (подели первого уровня). Как до начала настоящего исследования, так и в дальнейще».параллельно с работами автора, проводилось изучение конкретных водных систем, псслужинлее осново? для создания моделей третьего уровня. Щоиного подхода, позволявшего объединить все три уровня моделей в форме, пригодной для инженерных расчетов величин допустимых сбросов радиоактивных вешест£ к моменту начала настоящей работы выполнено не было.

В работах по охране окружающей среды от радиоактивного загрязнения большое внимание уделялось вопросам экологической емкости природных объектов и регионов по отношение к сбросу и выбросу ради онуклидов. В первой главе дан обзор работ, в которых устанавливались соответствующие понятия и указано место трудов автора в разработке идеологии и концепции экологической емкости среды. Введенная автором радиационная емкость основывается на учете потока,само очистки, подобно тому как это было сделано Поликарповым Г.Г., Заикой В.В. и Егоровым В.П. применительно к химическим токсическим веществам. Но сформулированное этими авторами понятие "экологической емкости" не удается применить в инженерной практике нормирова ния радиоактивных сбросов. Вводимая автором "радиационная емкость" записываемая в матричной форме, является более общим понятием, чем введенная Крышевым И.И. "радиоэкологическая емкость" и более адекватна решаемой задаче в ее инженерном аспекте, чем "экологическая емкость", введенная Поликарповым Г.Г., Егоровым Б.П. и Заикой Б.И.

Глава 2. Радиационная емкость

В главе исследована связь феноменологических параметров, характеризующих распространение радиоактивных примесей в однородном потоке и макроскопических величин, характеризующих движение речных наносов. Показано, что кинетические параметры связаны с параметрам! потока соотношениями

СI

и ДР

£ - несутазя способность потока, Р5 - расход влекомых наносов.

плотность грунта, сР - толшина подвижного слоя донных отложений.

Параметры о^Д^, IV характеризуют статистический процёсс ереноса частиц водным потоком. В основу метода расчета феномено-огических параметров положена полуэмпирическая модель Леви-Карау-ева, как наиболее обоснованная экспериментами, выполненными в ашей стране. Однако, как показано в работе, модель Караушева ачественно противоречива и она была модифицирована автором путем чета скорости вертикального перераспределения, что позволило пять Противоречие. Различия между исходной и модифицированной зделью не превосходят экспериментальных ошибок, что не позволяет хелать окончательный выбор.

На основе принятой модели был сделан прогноз распространения итпового сброса в р.Стырь, произошедшего на Ровенской АЭС в )82 году. В состав сброса входило в нерастворимом состоя-

1И, сыгравшее роль трассера.

Продольное распространение примеси описывается системой авненик (пренебрегая влечением)

нН = "н 17 ^ *

-Я/нГ

Решение ограничено при X. со .

Здесь o(t) - дельт^ункция.

Решение получено операционным методом.

Результат прогноза представлен на рис.1.

H%S ... 33, ff -

12,3

ал

О -

У *0 ¿,сут О о,ХЧ o/i) OfiS iCO t,l

Рис Л. Удельная активность •уО донных отложений в зависимости от времени на расстоянии 5 (а) и 160 (б) км от точки сброса. Концентрация выражена в долях от загрязненности в точке сброса в начальный момент времени

Наблюдения за донными отложениями в р.Стырь, выполненные Институтом ядерной физики АН УССР (руководитель Чумак В.К.) под твердили движение загрязненного пятна вниз по реке со скоростью близкой к прогнозируемой. Выполнить детальную проверку прогноза не удалось из—за недостаточного объема и точности эксперимента ных данных.

В работе приведено решение задачи о формировании стациона ного распределения загрязнения донных отложений при сбросе нора створичого вещества в канал, глубина и ширина которого в разных ст,ворах различна. Определялась зависимость загрязненности донны; отложений от количества радиоактивного вещества, сбрасываемого : канал в единицу времени при постоянной концентрации в створе сб] са. Продольный компонент функций распределения есть решение ура] нения:

■ р ££ ^-сг/1 +р<р-Л£;?

т=с т/иг-, а г ¿/к //; > / и)

а-С* !**о

где X - расстояние вдоль русла канала; ^ и у - концентрация радионуклида во взвешенной фазе и в донных отложениях соответственно; й - мощность сброса радиоактивных веществ; V - скорость течения; Н - глубина: I - ширина;

- удельный расход влекомых донных отложений: / - уклон свободной поверхности; С - коэффициент Шези; /2 - постоянная распада. о1 и определены выше.

Согласно постановке задачи, учтены изменение скорости течения глубины как вдоль канала, таи и с изменением расхода и, как ледствие, учтено изменение условий взаимообмена примесью между одой и донными отложениями.

На рис.2 приведены полученные зависимости удельной актив-ости донных отложений в наиболее загрязненной точке от расхода бросных вод.

О го м со С} м 3/с

Рис.2. Зависимость загрязненности донных отложений от расхода сбросных вод

А - отношение загрязненности донных отложений в экстремальной точке при данном расходе к загрязненности донных отложений в экстремальной точке при расходе 1Ь м3/с.

С( - расход воды в канале.

Кривые соответствуют частицам с.гидравлической крупностью и4= 2-Ю"2 м/с; ¿4= 2Ч0-3 м/с; 11 ^ 2'Ю-4 м/с.

.Видно, что начиная с некоторого значения, увеличение.расхода воды, которое необходимо, сопровождает разбавление сброса, вызывает самопроизвольный рост загрязненности в критической точке. То есть при больших кратностях разбавления интенсифицируются естественные процессы концентрирования примесей, что делает дальнейшее разбавление бесполезным.

На основании этого факта введено понятие радиационной емкости как меры способности системы к самоочистке за счет радиоактивного распада, ограничивающей максимальное разбавление. Введенная радиационная емкость - отношение количества вещества, распадающегося в единицу времени, к его концентрации в критической точке - является самостоятельной характеристикой естественной водной системы. В концепции радиационной емкости, в отличие от ранее принятых концепций, процессы седиментации, резорбции и выноса загрязнения в другие водоемы рассматриваются как перераспределение в системе, а

ге как компоненты потока саыоочистки.

При расчете величин ПДС учитывают два аспекта - различную 'епень радиочувствительности контрольных объектов, характеризу-:муто допустимыми (контрольными) концентрациями, и условия форми-ювания поля загрязнения, характеризуемые радиационными емкостями, количество критических точек и контрольных объектов зависит от :ложности водной системы.

Анализ дозовых нагрузок на контрольные объекты в зависимости |т мощности сброса привел к записи соотношения для расчета ПДС в атричной форме, что в свою очередь позволило формализовать общий

одход и, тем самым, упростить и унифицировать анализ водных систем. * - ( <

I

кМь)

де / ) - вектор, который составлен из величин, обратных

I 1'Пк>

предельно допустимым (контрольным) концентрациям ;

( ^ - матрицы величин, обратных радиационным емкостям,

\ I? к" )

V л 6 / которая служит обобщенной характеристикой способности водной системы к самоочистке; - доля загрязнения, транспортируемого по с -му пути.

Разработанный метод определения ПДС радиоактивных веществ 5еспечивает радиационную безопасность внешней среды.

Прежний подход, основанный на концепции коэффициентов раз- „ авления, не гарантирует охрану поверхностных вод от загрязнения, эскольку он не учитывает самопроизвольное концентрирование, со-эовождагашее большое разбавление.

Предложенный формализованный аппарат позволил унифицировать рассмотрение сложных водных систем и упростить решение задачи.

Глава 3. Радиационная емкость конкретных водных систем (модели третьего уровня)

Радиационная емкость обусловлена взаимодействием всех элементов водной системы, связанных друг с другом за счет естественного и искусственного водообмена. В общем случае нельзя говорить о радиационной емкости отдельного водного объекта. Однако на практике реальную водную систему удается представить в виде совокупности более простых элементов, для которых строятся типовые модели, с последующим синтезом результатов для всей водной системы

В третьей главе рассмотрены модели для следующих элементов. I. Реки и каналы, допускающие.моделирование в рамках однородного потока. 2. Однородные водоемы, допускающие расчет по однокамерной модели. 3. Водоемы, допускающие расчет в рамках нескольких взаимосвязанных камер. 4. Выход струи однородного потока в слабопроточный или застойный водоем.

Разработанная методология анализа водных систем и синтеза получаемых результатов позволяет построить упрошенные, но практически пригодные модели для выявления "критических" точек и определения радиационных емкостей системы. В частности, при расчете радиационной емкости озера Друкшяй, служ&шего водоемом-охладителем для Игналинской АЭС, было показано, что на протяжении летнего периода примеси, сбрасываемые как через промливневую (ПЛК), так и хозфекальную (ХФК) канализацию, распределяются по объему озера приблизительно равномерно за счет ветровых течений.

В период.ледостава сброс ШЖ распределяется по незамерзающему участку, а сброс ХФК распространяется локализованным шлейфом в заливе, покрытом льдом. В случае повышения удельной актив-

ности вод ХЖ в области шлейфа прогнозируется локальный уч&сток с повышенной концентрацией радионуклидов в донных отложениях, который "размывается" ветровыми течениями после стаивация ледяного покрова. Таким образом, прежняя методика расчета НДС, опиравшаяся на предположение о равномерном загрязнении водоемов-охладителей, неприменима для озера Друкшяй. Расчет показал, что учет распространения шлейфа ХЖ в зимний период требует изменить величину НДС для цезия-137 более, чем в 5 раз по сравнению с однородной моделью.

. Расчет..выполненный для старого варианта проекта Запорожской АЭС, показал, что в Каховском водохранилище у выхода продувочного устройства может возникнуть локальный участок, на котором удельшж активность донных отложений будет выше, чем в самом водоеме-охладителе, в который производится сброс. Этот вариант проекта не был реализован, В существующем варианте использовано обратное направление циркуляции води в водоеме-охладителе, в результате чего возникновение локального загрязненного участка в Каховском водохранилище не прогнозируется. Эти примеры показывают важную роль анализа взаимодействия элементов водной системы при расчете радиационной емкости.

Глава 4. Радиационная емкость систеи, содержащих Полота и потоки фильтрующихся вод

Водные системы, в которых существенную роль играет фильтрация, потребовали создания специальных моделей для расчета. Большое прикладное значение имела разработанная автором модель переноса радионуклидов в болоте.

В основу модели легли следующие положения.

1. Имеются две фазы загрязнения - подвижная фаза (вода с растворенными и взвешенными радиоактивными веществами) и условно неподвижная фаза (сапропель. болотная растительность).

2. В подвижной фазе загрязнение переносится потоком воды.

В условно неподвижной происходит случайная миграция за счет естественного обмена веществ, включая отмирание растений и использование их остатков корнями соседних растений.

3. Между фазами происходит взаимообмен. Обменный поток радионуклидов пропорционален концентрации радионуклида в соответству-0лей фазе.

4. Скорость вертикальной миграции в условно неподвижной фазе много больше скорости горизонтального перераспределения.

Перенос происходит в пределах деятельного слоя толщиной 0.7-0.8 м. Удельный поток, направленный из деятельного слоя в глубокие слои торфа пренебрежимо мал.

Модель описывается системой уравнений

= V (л + /¡у, - я/?

где Я') Р ~ УДельная активность подвижной и условно неподвижной фаз соответственно; V - оператор Гамильтона;

7) - коэффициент миграции в условно неподвижной фазе, феноменологический аналог коэффициента диффузии - конетические коэффициенты, характеризующие массообмен между фазами. Модель была создана на основе натурных исследований автора, включающих отбор проб и измерение мощности дозы по всей территории

болота и проверена по результатам наблюдений автора и сотрудников ИЭРЖ УО АН СССР и Института лесоведения УО АН СССР. Результаты исследований показали, что совокупность физико-химических и биологических процессов приводит к удержании в болоте радионуклидов. Наиболее эффективно удерживается цезий-137. Роль болот в очистке сточных вод от органического загрязнения и некоторых химических вредных веществ была известна и раньше. Но защитные свойства болот:! :о отношению к радиоактивному загрязнению н доступной литературе 1сследованы впервые.

Представляет интерес расчет радиационной емкости водоема-ох-гадителя Чернобыльской АЭС по отношению к загрязнению вод р.Припять. >ыло установлено, что существующая взаимосвязь водоема-охладителя реки за счет фильтрации вод через дно и ограждающую дамбу иронически не влияет на радиационную еикость водоема-охладителя.

В работе выполнен также анализ радиационных последствий про-ечек из хранилищ жидких радиоактивных отходов Курской АЭС.

Приведенные расчеты радиационных емкостей иллюстрируют азработанную автором методологию.

Экспериментальная проверка моделей процесса миграции радио-тслидов частично сделана самим автором или при его участии. Ис-шьзованы также результаты исследований, выполненных службами диационной безопасности АЭС.

Глава Ь. Нормирование слабых воздействий токсических веществ на экосистемы

В первой главе показана необходимость учета состояния внешней зды.как фактора, определяющего косвенное влияние на трудоснособ-зть, и отмечено, что в традиционном нормировании радиоактивных юсов и выбросов этот фактор не учитывался. Это объясняется

отсутствием количественного критерия нормальности состояния экосистемы и большой сложностью даже простейших экосистем. Известные и настоящее время индексы состояния экосистемы недостаточно чувст-пительны и характеризуют лишь частные аспекты состояния среды обитания. Наиболее полно и всесторонне степень благополучия биоценоза могли бы охарактеризовать критерии, построенные по типу экономических критериев, но из-за неопределенности конкретной стоимости различных характеристик экосистемы, в частности, сохранения редких и исчезающих видов или элементов.ландшафта. Практическое использование этих критериев ненадежно, а зачастую приводит к явным противоречиям.

Из-за отсутствия конкретного критерия качества состояния биоценоза. автор строит экологическое нормирование, опираясь на общие свойства биоценозов и общие требования, которым должен отвечать критерий качества (аналог параметра оптимизации).

В работе доказано, что для экосистемы, удовлетворяющей требованиям: I. Экосистема стабильна: 2. Воздействие на любой элемент экосистемы косвенно влияет на все ее элементы; 3. Слабое внешнее воздействие на экосистему вызывает малое ненулевое изменение состояния элементов системы (беспороговое воздействие): '1. Существует величина (числовой количественный критерий).однозначно характеризующая качество состояния системы, —Для такой экосистемы любой критерий качества состояния аддитивен по отношению к малым воздействиям на любые элементы биоценоза.

Положение проиллюстрировано путем рассмотрения модельной (гипотетической) экосистемы, обладающей основными свойствами реальног сообщества (рис.3). Критерием качества состояния служила сумма отношений числа животных (растений). погибших естественной смертью, к количеству погибших преждевременно.

Гетеротрофы второго уровня (хищники) ■ ■ 6------ — —_ Трупы • (животных,

рыб) ' т

Г . . Гетеротрофы первого уровня (травоядные) F Сапротрофы (бактерии)

Î Автотрофы (растения) А i 1 i Отмершие растения 1

I Сапротрофы

(грибы, бактерии)

I . .

___1 Питательные вещества в земле 1 ___

(лимитирующий элемент) Г*

Рис.3. Схема модели биоценоза Стрелки - передача лимитирующего элемента по трофическим цепям.

Численным экспериментом показано, что I) при нанесении ущерба любому элементу биоценоза становится хуже всем членам сообщества; 2) при малом воздействии на несколько трофических уровней результирующее изменение критерия качества, как и следует из доказанного в работе общего положения, аддитивно по отношению к воздействию на отдельные элементы.

Опираясь на аддитивность изменения критерия качества, построено косвенное экологическое нормирование при неизвестном критерии качества состояния.

В работе показано, что предельно-допустимые концентрации радионуклидов, обеспечивающие нормальное существовшше экосистемы, заключены в пределах . ___

- А-../ '

гло (7/п - допустимая концентрация, определенная при условии.

что воздействию подвергается единственный (К-ый) элемент биоценоза.

Левая часть - есть обобщение хорошо известной формулы Атсрьпнова. Приведенное соотношение определяет границы для возможных значений допустимых концентраций. Уточнить величину можно лишь с том случае, если известны критерий качество I; иолмля модель биоценоза.

Глава 6. Расчет допустимого сброса радиоактивных веществ

Расчет допустимого сброса, используя набор известных радиационных емкостей, выполняется, опираясь на экологические или гигиенические принципы нормирования. В работе сопоставляются результат!''. полученные для озера, расположенного в средней полосе страны. на основе четырех различных подходов, рассматриваемых как альтернатавные.

1. Требование ограничить лозовую нагрузку на людей из контрольной группы населения пределом дозы для группы "Б".

2. Требование ограничить дозопую нагрузку на людей из контрольной группы населения квотой предела дозы, выделенной для жидких сбросов АЭС.(1% от предела дозы).

3. Требование, чтобы дозовая нагрузка на элемент биоценоза, подвергающийся наибольшему радиационному риску, не превосходила предельно допустимого значения для этого элемента.

'1. Требование, чтобы изменение критерия качества состояния

биоценоза не превосходило допустимого предела.

I. * Гс 137

) езультаты нормирования концентрации и сбросов приве-

ден!,! в таблице.

Таблица

Допустимые концентрации и допустимые сбросы С^'^. полученные при разных подходах к нормированию

1 Допустимые концентрации Допустимый в воде в донных Г,к/кг г„,/гп„ гкч/пп.и Бк/л (Ки/л) ! отложониях^Дт] Ьк/год

Первый (гигиенический подход) 30 - (Ь.1'10-10) - 7 _ {3.4-1иП (У ,2)

Второй (гигиенический подход) 0,3 - У20 (2,Ь-Ю~°) |3,4*ЮУ (0,0У2) 1

Третий 300-370 8,1- Ю'1

(экологический (8.1• 10~^-10~Ь) (2,2'Ю"6) подход) рыбы;

икра

икра;

личинки несе-комих

Допустимая концентрация в донных отложениях, определенная по 1ервому принципу, превзошла предел, выше которого они должны бить внесены к категории "радиоактивные отходы", и в таблице не риводится. Опираясь на этот результат, можно придти к ошибочному иводу. что радиоактивные отходы можно безопасно хранить на дни зера.

Для определения нормативов допустимых концентраций радионуклидов исходя из экологических принципов было рассмотрено облучение 13 т.'жгопометрических групп гидробионтов.(рыбы, три группы фитопланктона. зоопланктон, высшие.водоросли. черви, земноводные, мо-люски. икра, личинки насекомых, яйца клодофор. простейшие). Для рапных групп допустимые концентрации отличаются на несколько по-г рядков. Но все они значительно выше гигиенических знпчоннч. что. казалось бы..подтверждает антропоморфную концепцию. Но допустимые концентрации, полученные исходя из четвертого (экологического) подхода, оказались существенно более жесткими, чем нормативы, полученные из первого (гигиенического) подхода.

Наиболее жесткая величина получена на основе принципа квотирования. но ее отличие от приведенного экологического допустимого сброса невелико (всего в два раза).

Принцип квотирования был в свое время введен исходя, с одной стороны, из технологических возможностей АЭС. С другой, учитывали известные случаи ухудшения состояния водных объектов, в которые производили сбросы химических вешеств. не превосходящие допустимых гигиенических значений. Экспериментального или теоретического обоснования принцип квотирования не имел.

Приведенные в настоящей работе теоретическое рассмотрение пооможиого изменения состояния биоценоза под влиянием радиоактивных веществ и результаты нормирования сбросов показывают, что введение запаса, вытекающего из принципа квотирования, не было излишним.

ВЫВОДЫ

I. Решена важная народнохозяйственная задача: разработано экологическое нормирование жидких радиоактивных сбросов на био-ценотическом уровне, на основе новой концепции.

Выполненный теоретический анализ формирования поля радиоактивного загрязнения водных объектов выявил новые закономерности и заставил пересмотреть существовавший ранее подход к гидрологи— ческому аспекту задачи.

Модифицирована гидродинамическая модель Леви-Караушева. что позволило избежать присущего модели качественного противоречия при малых значениях гидравлической крупности взвешенных частиц.

Выявлены естественные процессы активного концентрирования радиоактивных примесей, сопровождающие большое разбавление. Это позволило впервые четко сформулировать и теоретически обосновать юнятие "радиационной емкости" как меры способности системы к замоочистке.

Следовательно, разбавление сточных вод может уменьшить стернь их опасности лишь до некоторого предела. Дан метод определения предельного разбавления, допускаемого водной системой.

Показано, что при нормировании сбросов необходимо учитывать ззаимодействие всех элементов водной системы. Ранее рекоыендован-ше методики расчета коэффициенто в разбавления для выделенных •лиментов а общем случае не гарантируют радиационную безопасность и.ешней среды. Следовательно, радиационная емкость является арактеристикой всей водной системы. Разработана методология гидро-огического анализа водных систем, опирающаяся на предложенном втором матричную запись радиационной емкости, существенно упрощан-ая и конкретизирующая заначу в ее инженерном аспекте.

2. Разработана феноменологическая модель миграции радионуклидов в болоте. Показана высокая защитная эффективность болота по отношению к радиоактивному загрязнению, что объясняется как физико-химическими. так и биотическими процессами.

3. Предложено нормирование, опирающееся на требование сохранить нормальное состояние биоценоза как альтернатива существовавшему ранее нормированию по наиболее слабому звену биоценоза. Нормирование базируется на рассмотрении изменения неопределенного критерия качества состояния, поскольку четкого определения понятия нормальной экологической обстановки в настоящее время нет. Показанс что при слабом внешнем воздействии изменения любого критерия каче-стпа состояния биоценоза аддитивны по отношению к воздействию на отдельные звенья биоценоза. Учет взаимодействия элементов биоценоза заставляет уменьшать знз.чения допустимых концентраций приблизительно на порядок по сравнению с нормированием по наиболее слабому звену.

4. Разработаны инженерные методы расчета радиационных емкостей и допустимых сбросов радиоактивных вешеств. Впервые выполнено нормирование сброса радиоактивных вешеств для конкретной водной гигтечн с учетом взаимодействия элементов биоценоза между собой. Результат экологического норчироваяия_ока.зался более жестким, чем результат гигиенического нормирования, опирающийся на предел дозы. Следовательно, для рассмотренной водной системы охрана биоты донннх отложений как фактора, косвенно влияющего на здоровье чело-пека. оказалось более значимой для величины допустимого сброса, чем охрана здоровья людей от прямого воздействия радиоактивного загрязнения.

Из полученных результатов следует, что введенный Н.Г.Гусевым и Л.И.Бурнэзяном стократный запас, непосредственно вытекающий из

принципа квотирования, не был излишним.

5. Результаты исследований легли в основу "лЬтодики определения допустимых сбросов радиоактивных веществ в системы поверхностных вод", разработанной под руководством автора. Методика утверждена соответствующими компетентными организациями. Выполнено арктическое нормирование жидких сбросов для всех ныне действующих АЭС нашей страны.

1. Кононович Д.Jl., Панов Е.А., Сафонов И.С., Гусев Д.И.. Степанова В.Д.. Ефремов В.П.. Пахомов В.И. Оценка допустимых жидких радиоактивных сбросов в водоем-охладитель Курской АЭС. Отчет НПО "Энергия" и Института биофизики МЗ СССР. № Госрегист-рании Б 803602 по гостеме 79078220. Москва. 1979г. 43 стр.

2. Кононович АД.. Баранов U.A., Синюкова H.H.. Хамьянов Jl.ll. О связи контрольных значений сброса жидких радиоактивных отходов

и контрольных концентраций радионуклидов в воде открытых водоемов. Атомная энергия. 1981г. Т.50, №1. стр.50-52.

3. Хамьянов Jl.il.. Кононович A.J1. Радиационная емкость открытых водоемов. Отчет ВНИИАЭС. Инв. 1ЮЭ-0994/81. № Госрегистрации 017380. Москва, 1980г..57 стр.

4. Кононович A.J1.. Баранов М.А.. Синюкова Н.И.. Хамьянов J1.П. Влияние физико-химического состояния радионуклидов на радиационную емкость открытого непроточного водоема. Сб. "Атомные электрические станции", выпуск 5. Москва. Энергоатомиздат. 1983г.. стр.227-232.

5. Кононович A.J1. Радиационная емкость малоизвилистых рек при кратковременном сбросе радионуклидов. Атомная энергия. 1984г. Т.5Ь. вып.2.

Ь. Хамьянов JI.1I.. Кононович Л.Л.. Исаков H.A.. Баранов М.А., Синюкова Н.И., Швоев АЛ>,. Верховецкий H.A. Вычисление радиационной емкости водоема-охладителя НВАЭС. Отчет ВНИИАЭС. Инв. № U0-0793/80. Москва - Нововоронеж. I98Qr.

7. Хамьянов Л.П., Кононович А.Л,. Глазунов В.О.. Павловский O.A., Степанова В.Д.. Богданова Л.С., Буров А.0., Васильев Э.С.. Рыбаков В.Н., Дмитриев A.B. Расчет предельно-допустимых сбросов радиоактивных вешеств для озера Имандра. Отчет ВНИИАЭС и ИЕФ МЗ СССР. Инв. № ВНИИАЭС 0Э-2017/85. № Госрегистрации 81043058. Москва. 1985г. 28 стр.

8. Кононович A.J1.. Хаыьянов Л.11. Радиационная емкость поверхностных водоемов. Отчет ВНИИАЭС. Инв. № ВНИИАЭС.ОЭ-1887/84.

№ Госрегистрации 0183008004602850040023.„Москва, 1984с..ЬУ стр.

9. Кононович Л.Л.. Верховецкий H.A., Пешков В.И., Безменов C.B. Использование понятия радиационной емкости при вычислении предельно-допустимых сбросов. Атомная энергия, 198Ьг., т.Ь9. вып.З. стр.213-216.

10. Кононович il.Л., Хаыьянов Л.II. Вычисление радиационном емкости поверхностных водоемов. В сб. Радиоэкологические исследования в зоне АЭС. Изд. Ур.отд.All СССР. Свердловск. 1988г., стр. 37-42.

11. Кононович А.Л.. Хаыьянов Л.11. Радиационная емкость объектов внешней среди. В сб. Атомные электрические станции. 1987г.. вып.9. Москва. Энергоатомиздат, стр.171-174.

12. Кононович А.Л. Об одном парадоксе при сбросе вод с радиоактивными загрязнениями. Атомная энергия. 1989г., т.65. вин.4. стр.269-271.

13. Кононович А.Л., Демченко С.М., Сковорода Г.А.. Коробейников В.Л., Хамьянов Л.П. Радиационная емкость водоемов-охладите-пей АЭС. Атомная энергия. 1987г. Т.63. вып.и. стр.383-386.

14. Кононович АЛ.. Молчанова И.В.. Трапезников A.B.. (араваева E.H.. Куликов Н.В. К проблеме нормирования радиоактивного айГрлонснк)! иодных.экосистем в зоне АЭС. Экология. 19Ь8г.

Ib. Кононович A.J1.. Смирнов Н.В., Казаков C.B., Урываеъ А.11. )ценка влияния пруда-охладителя на радиационное состояние реки /рипять. Отчет ВНИИАЭС и 1Ю "Комбинат". Припять. 1988г. .16стр.

16. Кононович Д.Л., Федоров В.Л.. Воронин i.i.J.. Jjhtbiîhou л...;.. Ыколаев В.Н. , Добит Г.Д.. Логвинов О.И., Вычисление IV 1С Пгн;jhüi-:кой АЭС. Отчет ВНИИлЭС. Москва. 19Ь8г.

17. ¡(.пнонояич Л.Л., Хямьянор Л.П. Учет гидрогеологических у.р.-и'торигтик поверхностных водоемов при вычислении предельно допуетгмых сбросов. Изотопы в СССР. Выпуск 74. М. Энергоатомиздат. И Юг. Стр. 01-80. . ,

.10. Криволуцкий.Д.Л.. Федоров Е.Л.. Смирнов Е.Г.. Антонова Т.\.. Кононович А.Л.. Хамьянов Л.II. Экологическое нормирование в рллпспкологии. Сб. Общие проблемы биогеоценологш . .1.. Ч-ука. 1У90г. Стр. 107-210.

19. Кононович АЛ. К вопросу о нормировании сбросов радиоактивных и токсических веществ во внешнюю среду. Сб.Биоиндикация и биомониторинг. М.. Наука. 1991г.. стр.45-Ь4.

20. Кононович АЛ.. Луппов В.А., Маковский В.И.. Нифонтова У.Г.. Колтик И.И.. Рафиков Е.М. Влияние радиоактивного загрязнения. депонированного в болоте, на радиационную обстановку в приле-г-но'цем регионе. Атомная энергия. 1991г. Т.71. вып.З. стр.249-254.

21. Кононович АЛ. Экологическое нормирование радиоактивного^ загрязнения донных отложений. Атомная энергия. 1У91г. Т.71, вып.2, стр.НЬ-148.

22. Под руководством автора была выпущена "Методика определения допустимых сбросов радиоактивных веществ о системы поверхностных вод".

Методика утверждена 21>. 12.89. Разослана на АЭС и проектные организации для использования в работе циркулярным письмом Мин-чтомэнерго СССР. исх. № 2-сЗ-02/10 от 17.01.90.