№ 16-17-10270

"Стабильность буферных свойств бентонитовых барьерных систем при их эксплуатации для изоляции захоронений радиоактивных отходов"

Руководитель: Крупская В.В.

Ключевые слова: Бентонитовые барьерные системы, изоляция радиоактивных отходов, адсорбция, Cs, Sr, U, Am

Отчет по результатам проведенных работ.

Аннотация

В настоящее время в странах, где имеются радиоактивные отходы (РАО), геологическая среда рассматривается как наиболее экологически и радиационно безопасное место для их размещения. Долговременная безопасность создаваемых и существующих пунктов длительной консервации/захоронения РАО обеспечивается системой защитных барьеров. Основной  функцией барьеров является ограничение контакта техногенных радионуклидов с подземными водами и предотвращение их миграции в окружающей среде (Нормы и правила НП-055-14 «Захоронение радиоактивных отходов»).

В отходах присутствует широкий спектр техногенных радионуклидов, при этом основную  опасность представляют долгоживущие радионуклиды, представляющие экологическую опасность в течение сотен тысяч лет. Очевидно, что сохранить защитные свойства в течение геологически значимого времени могут барьеры из природных материалов. В мировой практике в качестве барьерного материала предлагается использовать бентонитовые глины. За рубежом глубинные могильники РАО находятся только на стадии проектирования.

В зависимости от типов отходов в приповерхностных и глубинных могильниках, барьерные материалы могут эксплуатироваться при различных значениях рН и повышенных температурах. Изменение значений рН подземных вод будет происходить в случае их проникновения в хранилище и контакте с различными типами отходов (стеклоподобные, цементные, керамические матрицы, отложения, пульпы, илы и т.д.) и барьерными материалами. Повышение температуры связано с присутствием тепловыделяющих радионуклидов в отходах. По разным оценкам повышение температуры в хранилищах может изменяться в интервале от 90°-200°С в

зависимости от радионуклидоного состава РАО.

Барьерные материалы будут эксплуатироваться в таких условиях в течение сотен тысяч лет, и поэтому технически не представляется возможным экспериментально промоделировать происходящие при этом процессы. Поэтому в заявляемом проекте будет проводиться экспериментальное моделирование процессов, происходящих в «наиболее жестких» условиях при обработке барьерных материалов (различных бентонитов) растворами неорганической кислоты (азотной) при повышенных температурах. Такой подход позволяет в определенной степени исключить влияние временного фактора на процессы деструкции барьерного материала – бентонита.

Так как условия, при которых сохраняется агрессивное воздействие на бентонит в течение десятков и сотен лет, смоделировать экспериментально с учетом временного фактора не представляется возможным по техническим причинам, в предлагаемом проекте будет исследовано состояние бентонита в процессе длительной эксплуатации барьера путем термохимического воздействия на примере обработки барьерного материала растворами азотной кислоты при повышенных температурах (вплоть до практически полного разрушения структуры бентонита).

Бентонитовые глины состоят на 70-90% из монтмориллонита, глинистого минерала группы смектита, в котором одна Al-О-OH октаэдрическая сетка располагается между двумя Si-O тетраэдрическими, а отрицательно заряженные слои взаимодействуют между собой посредством гидратированных катионов-компенсаторов (Ca, Mg, Na). Благодаря своему специфическому строению, монтмориллониты отличаются уникально высокими сорбционными свойствами по отношению к разным катионам, в том числе радионуклидам и большой удельной поверхностью.

Любые преобразования окружающей монтмориллонит среды могут привести к изменению структурных и, как следствие, физико-химических свойств бентонитов как барьерных материалов, а следовательно потере его защитных свойств, прежде всего повышению фильтрационных свойств, снижению сорбционных и емкостных характеристик.

При выполнении проекта будут использованы промышленные образцы бентонитовых глин месторождений России и ближнего зарубежья, которые в настоящий момент разрабатываются в промышленном масштабе /представлены на российском рынке бентонитового сырья. В ходе проекта будут изучены как механизм термохимического воздействия и его влияние на поведение

межслоевых катионов и структуру монтмориллонита, так и различия, обусловленные составом и строением исходных монтмориллонитов, что будет выражено в их различной устойчивости к термохимическому воздействию. Будет изучено влияние процессов протонирования, извлечения межслоевых и октаэдрических катионов, происходящих при кислотной обработке на изменение

поверхностных свойств, перераспределение заряда слоя и взаимодействие частиц и ультра-микроагрегатов монтмориллонитов. Конечным результатом развития этих процессов будет изменение фильтрационных и сорбционных свойств бентонитовых барьеров. Характер поверхностных преобразований и изменение сорбционных и фильтрационных характеристик барьерных материалов будут изучены экспериментально на различных этапах деструкции материала барьеров при термохимическом воздействии. Для ряда процессов планируется проведение экспериментов с использованием присутствующих в различных типах РАО изотопов

Cs-137, Sr-90, U-233, Am-241. Эти изотопы присутствуют в различных типах РАО и отличаются своим поведением при адсорбции на поверхности монтмориллониа и в межслоевом пространстве. Одновременно будут определены формы нахождения радионуклидов и их распределение в барьерном материале до и после термохимического воздействия.

Важным аспектом исследований является изучение поведения стабильных и радиоактивных изотопов Cs, Sr, U и Am, что позволяет оценить емкостные свойства материала в зависимости от условий термохимического воздействия. Исследования с катионно-замещенными формами позволит проследить возможное взаимодействие различных катионов с тетраэдрическими и

октаэдрическими сетками, которые на настоящий момент изучались только методами моделирования молекулярной динамики. В рамках выполнения настоящего проекта планируется подтвердить на основании экспериментальных результатов данные структурного моделирования Cs-монтмориллонитов.

В результате выполнения проекта впервые комплексно будут описаны механизмы преобразования структуры и свойств бентонитовых барьерных систем (на глинах перспективных Российских месторождений и ближнего зарубежья) при термохимическом воздействиях, моделирующих состояние бентонитовых барьеров в процессе, долговременного хранения/захоронения различных типов РАО;  установлены закономерности поведения радионуклидов, сорбированных на бентонитах, подвергшимся термохимическому воздействиям.

Оценены изменения противофильтрационных и противомиграционных свойств преобразованных бентонитов и сформулированы критерии выбора типов природных бентонитовых глин с учетом изменения их физико-химических свойств в процессе долговременной эксплуатации в качестве барьерных материалов; предложены варианты использования исследованных глин в условиях  приповерхностных и глубинных хранилищ РАО.

Список публикаций по теме:

Статьи:

Белоусов П.Е., Крупская В.В.Геологическая позиция и характеристика Российских месторождений бентонитовых глин. Георесурсы, 2019, в печати.

Белоусов, П. Е., Крупская, В. В., Закусин, С. В., Жигарев, В. В. Бентонитовые глины месторождения 10-й хутор (Республика Хакасия): особенности генезиса, состава и адсорбционных свойств. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования, 2017, Т. 18, №. 1, 135-143. http://dx.doi.org/10.22363/2312-8143-2017-18-1-135-143

Крупская В.В., Закусин С.В., Тюпина Е.А., Доржиева О.В., Чернов М.С., Бычкова Я.В. Преобразование структуры и адсорбционных свойств монтмориллонита при термохимическом воздействии. Геохимия, 2019, №. 3, в печати.

Крупская, В.В., Бирюков, Д.В., Белоусов, П.Е., Лехов, В.А., Романчук, А.Ю., Калмыков, С.Н., 2018. Применение природных глинистых материалов для повышения уровня ядерной и радиационной безопасности объектов ядерного наследия. Радиоактивные отходы 2, 30–43. Преобразование структуры и адсорбционных свойств монтмориллонита при термохимическом воздействии. Геохимия, 2019, №3, в печати.

Макаров А.В., Жаркова В.О., Ершова Я.Ю., Тюпина Е.А., Крупская В.В. Сорбция Sr-90 и Cs-137 на монокатионных формах бентонита Таганского месторождения. Успехи в химии и химической технологии, 2017, Т. 31, №. 10 (191), с. 16-18.

Прядко А.В., Жаркова В.О., Ершова Я.Ю., Тюпина Е.А., Крупская В.В. Сорбция Cs из водной среды на природных бентонитах различных месторождений. Успехи в химии и химической технологии, 2017, Т. 31, №. 10 (191), с.19-21.

Beygel A.G., Kutsenko K.V., Lavrukhin A.A., Magomedbekov E.P., Pershukov V.A., Sofronov V.L., Tyupina E.A., Zhiganov A.N. Experience and advantages in implementation of educational program in network form at Department "Closed nuclear fuel cycle Technologies" of National Research Nuclear University "MEPhI". Journal of Physics: Conference Serie. Vol. 781, № 1, pp. 1-5, Article number 012054. https://doi.org/10.1088/1742-6596/781/1/012054

Krupskaya Victoria, Novikova Lyudmila, Tyupina Ekaterina, Belousov Petr, Dorzhieva Olga, Zakusin Sergey, Belchinskaya Ludmila, Kim Kseniya, Roessner Frank, Badetti Elena, Brunelli Andrea. Influence of acid modification on the structure and surface properties of natural montmorillonites. Applied Clay Science. 2019, In press

Krupskaya, V., Zakusin, S., Tyupina, E., Dorzhieva, O., Zhukhlistov, A., Belousov, P., Timofeeva, M., 2017. Experimental Study of Montmorillonite Structure and Transformation of Its Properties under Treatment with Inorganic Acid Solutions. Minerals 7, 49. https://doi.org/10.3390/min7040049

Parveen K. Verma, Anna Yu. Romanchuk, Irina E. Vlasova , ictoria V. Krupskaya, Sergey V. Zakusin, Aёlexey V. Sobolev, Alexander V. Egorov, Prasanta K. Mohapatra, Stepan N. Kalmykov. Np (V) uptake by bentonite clay: Effect of accessory Fe oxides/hydroxides on sorption and speciation. Applied geochemistry, 2017, Т. 78, 74-82. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2016.12.009

 Semenkova, A.S., Evsiunina, M. V., Verma, P.K., Mohapatra, P.K., Petrov, V.G., Seregina, I.F., Bolshov, M.A., Krupskaya, V. V, Romanchuk, A.Y., 2018. Cs+ sorption onto Kutch clays: Influence of competing ions. Applied Clay Science, 2019, In press

Semenkova, A.S., Romanchuk, A.Y., Krupskaya, V. V., Pokidko, B. V., Dorzhieva, O. V., Sobolev, A. V., Presnyakov, I.A., Verma, P.K., Mohapatra, P.K., Kalmykov, S.N., 2018. Np(V) uptake by various clays. Appl. Geochemistry 92, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2018.02.006

Verma P.K., Semenkova A.S., Krupskaya V.V., Zakusin S.V., Mohapatra P.K., Romanchuk A.Yu., Kalmykov S.N. Eu(III) sorption onto various montmorillonites: Experiments and modeling. Applied Clay Science. 2019, in press

Тезисы конференций:

Белоусов П.Е., Крупская В.В. Геологическая позиция и характеристика российских месторождений бентонитовых глин. Пятая Российская Школа по глинистым минералам “Argilla Studium-2017", Материалы докладов, 2017, с.66-69

Ершова Я. Ю., Жаркова В. О., Захарова Е. В., Тюпина Е. А., Крупская В. В. Особенности сорбции радионуклидов  90Sr, 137Cs, 233U, 241Am природными и кислотно-модифицированными бентонитовыми глинами, используемыми в качестве инженерных барьеров при захоронении РАО. Материалы Пятой Российской школы по глинистым минералам "Argilla Studium 2017 (AS 2017)". 27 ноября - 01 декабря 2017, ИГЕМ РАН Москва, 2017, с. 70–74

Ершова Я. Ю., Жаркова В. О., Захарова Е. В., Тюпина Е. А., Белоусов П. Е., Крупская В. В. Сорбция радиоуклидов 90Sr, 137Cs, 233U, 241Am на монокатионных формах бентонитовых глин месторождения Таганское (Казахстан). Материалы Пятой Российской школы по глинистым минералам "Argilla Studium 2017 (AS 2017)". 27 ноября - 01 декабря 2017, ИГЕМ РАН Москва, 2017, с. 182–185.

Ершова Я.Ю., Жаркова В.О., Захарова Е.В., Тюпина Е.А., Крупская В.В. (2018). Формы нахождения сорбированных 90Sr, 137Cs, 233U, 241Am на образцах бентонитов месторождений РФ и СНГ. Сборник IX Российская конференция с международным участием «Радиохимия 2018»: Сборник тезисов, г. Санкт-Петербург, 17 – 21 сентября 2018 г., место издания Санкт-Петербург, с. 379

Жаркова В. О., Тюпина Е. А., Ершова Я. Ю., Крупская В. В., Захарова Е. В. Особенности поверхностных и сорбционных свойств природного и кислотно-модифицированного таганского бентонита, используемого в качестве барьера при захоронении РАО. Сборник тезисов докладов ФИЗИКОХИМИЯ – 2016: Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН (2016), ИФХЭ РАН Москва, с. 145–146.

Закусин С. В., Бычкова Я. В., Тюпина Е. А., Белоусов П. Е., Крупская В. В. Особенности сорбции цезия на природных глинах некоторых месторождений РФ и ближнего зарубежья. Материалы Пятой Российской Школы по глинистым минералам. Материалы Пятой Российской школы по глинистым минералам "Argilla Studium 2017 (AS 2017)". 27 ноября - 01 декабря 2017, ИГЕМ РАН, Москва, с. 180–181.

Тюпина Е.А., Закусин С.В., Крупская В.В. Влияние разрушения структуры бентонита, используемого в составе барьерного материала, на сорбцию цезия. V Всероссийский симпозиум "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии" с международным участием Краснодар, 07-13 октября 2018 г, Краснодар, 2018, с. 50

Тюпина Е. А., Крупская В. В., Закусин С. В., Макаров А. В. Влияние различных факторов на максимальную адсорбцию цезия при преобразовании монтмориллонитов в ходе длительной эксплуатации в качестве компонента инженерного барьера. Материалы Пятой Российской школы по глинистым минералам "Argilla Studium 2017 (AS 2017)". 27 ноября - 01 декабря 2017, ИГЕМ РАН, Москва, с. 170–174.

Тюпина Е. А., Крупская В. В., Прядко А. В. Влияние термокислотного воздействия на удельную поверхность бентонитов месторождений Таганское и Дашковское. Материалы Пятой Российской школы по глинистым минералам "Argilla Studium 2017 (AS 2017)". 27 ноября - 01 декабря 2017, ИГЕМ РАН, Москва, с. 175–179.

Тюпина Е. А., Прядко А. В., Макаров А. В., Крупская В. В. Преобразование фракционного состава монтмориллонитов в ходе длительной эксплуатации в качестве компонента инженерного барьера. Сборник тезисов докладов научной конференции Зарождение, развитие и роль радиоэкологии в обеспечении радиационной безопасности природной среды и человека. ФГУП ПО Маяк, Озерск, 2017, с. 76–77.

Тюпина Е.А., Прядко А.В., Слепцова С.И., Богородская М.А., Крупская В.В. Определение точки нулевого заряда поверхности бентонитов сцелью прогнозирования эффективности сорбции цезия. IX Российская конференция с международным участием «Радиохимия 2018»: Сборник тезисов, г. Санкт-Петербург, 17 – 21 сентября 2018 г., Санкт-Петербург, с. 465

Belousov Peter, Zakusin Sergey, Krupskaya Victoria. Geological position and characteristics of russian bentonite clay deposits. Scientific Research Abstracts. XVI International Clay Conference ICC 2017, 2017, Vol. 7, p. 75

Ershova Y., Zakharova E., Pryadko A., Tyupina E., Krupskaya V. Sorption of fission products and actinides on monocationic tyupes of bentonite clays. Fifth international conference on radiation and applications in various fields of research (RAD-17), Budva, Montenegro, 2017, pp. 414–414.

Ershova Y., Zharkova V., Zakharova E., Tyupina E., Pryadko A., Krupskaya V. Features of radionuclides sorption by bentonite clays. 18th Radiochemical Conference. Czech Chemical Society Symposium, серия Series 16 (2), 2018, pp. 82-82

Ershova Y., Zharkova V., Zakharova E., Tyupina E., Pryadko A., Krupskaya V. Features of radionuclides sorption by bentonite clays. Сборник 18th Radiochemical Conference. Czech Chemical Society Symposium, 2018, Series 16 (2), с. 82-82.

Krupskaya Victoria V., Dorzhieva Olga V., Zakusin Sergey V., Tyupina Ekaterina A., Belousov Petr S., Ershova Yana Yu, Zharkova Victoria O., Elena V.Zakharova. Structural features of montmorillonites from russian deposits and their influence on sorption characteristics towards radionuclides 90Sr, 137Cs, 233U, 241Am. 55th Annual meeting "The clay minerals society" Abstract book. The University Of Illinois at Urbana-Champaign june 11–14, 2018, The University Of Illinois At Urbana-Champaign, USA, 2018 p. 138

Krupskaya V., Tyupina E., Chernov M., Zakusin S., Dorzhieva O. Modification of structure and adsorption properties by the thermochemical treatment. Abstracts of 8 Mid-European Clay Conference MECC 2016. Košice (2016), SLOVAKIA, pp. 64–64.

Krupskaya V., Zakusin S., Dorzhieva O., Boguslavskiy A., Shemelina O., Chernov M., Zubkov A. Transformation of clay minerals due to technogenic processes associated with the disposal of radioactive waste. The 2nd International Symposium «Clays and Ceramics». Book of abstracts, University of Latvia, Academic centre for natural sciences Riga, Latvia, 2018, pp. 67-68

Krupskaya V., Zakusin S., Tyupina E., Dorzhieva O., Pryadko A., Belousov P., Pokid’ko B., Bichkova Y.. Transformation of the structure and properties of montmorillonite due to the thermochemical influence. Scientific Research Abstracts. XVI International Clay Conference ICC 2017, Granada, Spain Granada, Spain, 2017, vol. 7., p. 435.

Zakusin S., Bychkova Ya, Tyupina E., Belousov P., Krupskaya V. Sorption characteristics of Cs (I) and Sr (II) on bentonites. The 2nd International Symposium «Clays and Ceramics». Book of abstracts, University of Latvia, Academic centre for natural sciences Riga, Latvia, 2018, pp. 59-60

Zakusin Sergey V., Bychkova Yana V., Tyupina Ekaterina A., Belousov Petr S., Krupskaya Victoria V. (2018). Sorption characteristics of natural and acid treated bentonites from Russian deposits. 55th Annual meeting "The clay minerals society" Abstract book. The University Of Illinois At Urbana-Champaign June 11–14, The University Of Illinois At Urbana-Champaign, USA, 2018, p. 254

© 2019 Российская группа по глинам и глинистым минералам

  • Facebook
  • Instagram