Физическое моделирование воздействия работы системы технического водоснабжения АЭС на водные организмы

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ АЭС НА ВОДНЫЕ ОРГАНИЗМЫ

Д.В. Фомин

ОАО «НИИЭС»

В ближайшие годы в России и многих зарубежных странах планируется строительство десятков АЭС. Для большинства из них предусматриваются открытые системы те-хводоснабжения (СТВ) с использованием существующих водных объектов. Именно эти водоемы, которые будут преобразованы в так называемые водоемы-охладители, в наибольшей степени, по сравнению с другими компонентами окружающей среды, будут испытывать воздействие работы АЭС. Как свидетельствует накопленный к настоящему времени опыт, уровень этого воздействия, определяется не только, режимом эксплуатации электростанций, а зависит, главным образом, от решений, принятых еще на стадии проектирования их СТВ [2],[3]. В свою очередь, учет экологических проблем на этом этапе возможен только при условии наличия обоснованных прогнозов воздействий на биоту. В настоящее время эта задача решается эмпирически путем оценки экологических процессов, происходящих в объектах-аналогах (уже действующих водоемах-охладителях) и последующей экстраполяции на конкретные условия в районе проектируемой АЭС. В результате вырабатываемые прогнозы носят во многом абстрактный характер, не достаточно обоснованы и малопригодны для выработки экологически ориентированных проектно-конструкторских решений. Например, довольно часто при разработке проектной экологической документации, оценка воздействия АЭС традиционно строится на основе исследований американских ТЭС в 40-60 годы [1], принятых как эталонные без критического осмысления. Например, априорно принимается, что процент гибели зоопланктона при прохождении вод через СТВ в среднем составляет 80%. Вместе с тем, как свидетельствуют результаты наших исследований, проведенных в 20052008 гг. на водоеме-охладителе Курской АЭС в реальных условиях гибель зоопланктона, как правило, не превышает 20-30% [4]. Аналогичные данные были получены и при проведении исследований на других водоемах-охладителях.

Развитие строительной экологии в области атомной энергетики требует иного, более обоснованного подхода. Наиболее целесообразным представляется разработка комплексных методов прогноза, основанных как на материалах натурных наблюдений, так и на результатах физического моделирования воздействий СТВ на гидробионтов в экспериментальных условиях. В ходе натурных исследований мы получаем интегрированную оценку в разных режимах работы по всем физико-химическим воздействиям, а в результате физического моделирования - дифференцированную оценку уровня воздействия одиночного фактора, а также оценку эффектов совместного воздействия различных сочетаний факторов. Методологическая основа, достаточная для решения первой задачи уже существует [3]. В отличие от этого разработка методики физического моделирования, потребовало специальных исследований, которые были проведены автором статьи в ходе работ по комплексному биолого-химическому мониторингу водоема-охладителя Курской АЭС. Основными целями данных исследований являлись:

- определение основных видов экологических последствий воздействий, связанных с работой СТВ АЭС и оценка их значимости;

- экспериментальное определение летальных уровней воздействия отдельных факторов;

- оценка эффектов совместного воздействия сочетания нескольких факторов.

Как показали полученные результаты, из всего спектра воздействий СТВ электростанций на организмы, попадающие с током воды в технические агрегаты, следует выделить: физические воздействия (перепад скоростей, давление, температура, ультразвук, э/м поля) и химические воздействия, в том числе отравление загрязняющими веществами.

При физическом моделировании факторов воздействия целесообразно использовать не природный планктон, а специальные тест-объекты. Это позволяет значительно упростить методику и сделать ее доступной для специалистов, без базового биологического образования. В качестве тест-объектов использовались дафнии (Daphnia magna), которые присутствуют в большинстве водоемов и легко идентифицируются [5]. Также выбор тест-объекта был обусловлен тем, что дафнии - типичный представитель зоопланктона, то есть той группы водной биоты, которая в наибольшей степени подверженной воздействию работы СТВ.

Физическая модель была представлена системой из трех блоков, каждый из которых моделировал воздействие одного из следующих факторов:

Температурный фактор. Нагрев производился в диапазоне от 20°C до 40°C, после нагрева происходило остывание до начальной температуры.

Скоростной фактор. Перепад скоростей моделировался сужением, а именно стеклянными трубками разного диаметра, подача воды осуществлялась из напорного резервуара.

Токсический фактор. В качестве действующего вещества применялся гексан в концентрациях 0,01; 0,05; 0,1; 0,5; 1 мг/л.

В качестве критериев оценки воздействия использовались следующие показатели: состояние дафний (целостность покровов, антенн, изменения формы тела, поведение) и смертность дафний течении 24 ч после воздействия.

Проведены две серии опытов: первая - для определения критического значения уровня воздействия каждого фактора отдельно; вторая - для оценки эффектов совместного воздействия различных сочетаний факторов. В таблице 1 представлена схема проведения экспериментальных исследований. Во второй серии опытов была проведена оценка эффектов совместного воздействия различных сочетаний факторов в наиболее опасных и часто встречающихся комбинациях.

Результаты, полученные при физическом моделировании воздействий СТВ АЭС (табл.2), можно резюмировать следующим образом.

1. Температурный фактор. Было отмечено, что летальным фактором, помимо конечной температуры, стала скорость нагревания (Унагр. = 0,2 °С/сек). Критическая температура была определена на уровне 40 °С.

2. Скоростной фактор. Перепад скоростей, как фактор механического воздействия, приводит к повреждениям и гибели. Критический уровень воздействия установлен на уровне 5 кратного перепада скоростей.

3. Токсический фактор. Воздействие имеет пролонгированный характер, степень воздействия зависит от возраста и состояния особи и полностью определяется спецификой загрязняющего вещества. Например, нефтепродукты даже в небольших концентрациях нарушают гидрофобизацию тканей и, в первую очередь, вызывают всплытие особей, а во вторую, оказывают токсическое воздействие.

4. Совместное воздействие. Отмечен явный синергический эффект: повышение температуры и травмирование ведут к усилению токсического воздействия загрязнителей, кроме того, травмирование приводит к усилению влияния температурного фактора.

Таблица 1.

Схема проведения экспериментальных исследований воздействия различных факторов

Таблица 2.

Результаты экспериментальных исследований по физическому моделированию

Температурный фактор

АТ, °С 7 12 16 7 12 16

Время, ч Морфологические изменения, % Гибель тест-объектов, %

0,5 38 34 - 20 54 100

1,0 26 40 - 24 60 100

2,0 26 40 - 24 72 100

4,0 22 40 - 28 72 100

24,0 30 - - 30 80 100

Скоростной фактор

Уь м/с 0,80 1,2 0,60 0,8 0,80 1,20 0,60 0,8

У2, м/с 1,12 1,68 1,86 2,48 1,12 1,68 1,86 2,48

Время, ч Морс юлогические изменения, % Гибель тест-объектов, %

0,5 10 15 20 10 0 0 5 5

1,0 15 20 20 15 0 0 5 5

2,0 20 20 20 20 0 0 5 8

4,0 20 29 20 20 0 0 5 8

24,0 100 100 95 88 0 0 5 12

Токсический фактор

СЗВ, мг/л 0,01 | 0,05 | 0,10 | 0,50 | 1,00

Время, ч Гибель тест-объектов, %

0,5 0 0 50 58 100

1,0 10 36 84 86 100

2,0 10 40 84 86 100

4,0 10 40 90 100 100

24,0 100 100 100 100 100

Сравнивая полученные данные с результатами натурных наблюдений, проведенных на различных водоемах-охладителях, можно сделать следующие выводы:

- по отдельным видам воздействия (прежде всего температурный фактор) материалы физического моделирования совпадают с оценкой, сделанной на основании многолетних наблюдений [1],[2],[4];

- физическое моделирование позволило уточнить характер различных воздействий, выявить аспекты, недоступные для изучения в ходе натурных исследований;

- оценка воздействия СТВ АЭС на основании физического моделирования, давшая сходные результаты, требует значительно меньших затрат времени и средств, чем получение тех же материалов традиционным путем..

Литература:

1. Мордухай-Болтовской Ф.Д. Проблема влияния тепловых и атомных электростанций на гидробиологический режим водоемов. // Тр. Ин-та биол. внутр. вод. Вып. 27 (30). Экология организмов водохранилищ-охладителей. Л.: Наука, 1975. С. 7-69.

2. Протасов А.А. Экологические и инженерные аспекты управления качеством воды в водоемах-охладителях и снижения отрицательного влияния внутриводоемных процессов на работу электростанций. // Гидробиология водоемов-охладителей тепловых и атомных электростанций Украины. Киев: Наукова думка, 1991. С.172-184.

3. Суздалева А.Л. Структура и экологическое состояние природно-техногенных систем водоемов-охладителей АЭС // Автореферат диссертации ... доктора биологических наук по специальностям: 03.00.16 ; 05.26.02 - М.: МГУ, 2002. 53 с.

4. Суздалева А.Л., Попов А.В., Кучкина М.А., Фомин Д.В., Минин Д.В. Изменение химического состава воды и планктона при прохождении через систему технического водоснабжения АЭС // Безопасность энергетических сооружений. 2007. Вып. 16. С. 201-215.

5. Федоров В.Д., Капков В.И. Практическая гидробиология. М.: Изд-во «ПИМ», 2006. 367 с.

Ключевые слова: физическое моделирование, гибель зоопланктона, факторы воздействия, температура, скорость, концентрация загрязняющих веществ, систем технического водоснабжения АЭС.

Рецензент: Суздалева Антонина Львовна, доктор биологических наук, профессор кафедры инженерной экологии и охраны труда Московского энергетического института