В последнее время в связи с активным развитием в России системы обращения с радиоактивными отходами (РАО) активно развиваются исследования, связанные с применением бентонитовых глин как компонентов инженерных барьеров безопасности при захоронении РАО. Об идущих работах и исследованиях в этом направлении рассказала руководитель Российской группы по глинам и глинистым материалам Виктория Крупская (www.ruclay.comexternal link, opens in a new tab, www.argillas.ruexternal link, opens in a new tab).
- Виктория Валериевна, пожалуйста, расскажите о существующей в России Группе по глинам и глинистым материалам, о целях ее создания и участниках?
- Системные исследования в области строения, состава и свойств глин (clay science) в мире начались достаточно давно. Первый международный комитет по изучению глин и глинистых минералов (Comité Internationale Pour l'Etude des Argiles (CIPEA)) был создан в 1948 году во Франции, затем с 1951 года начинается активное развитие науки о глинистых минералах и создание национальных комитетов и групп. В 1963 году в США создается Общество по изучению глинистых минералов (Clay Mineral Society – CMS), а в 1966 году – Международная ассоциация по глинам и глинистым минералам (Association Internationale pour l'Etude des Argiles – AIPEA), которая остается по настоящее время основным сообществом, объединяющим специалистов в области изучения структуры, состава, свойств, практического применения природных и синтезированных глин и глинистых минералов, а также различных композиций, продуктов и нано-материалов на их основе. В состав AIPEA входят национальные общества, созданные в разных странах или объединениях нескольких стран. Российская группа по глинам и глинистым минералам (РГГ) была создана в 1994 году на международной конференции по глинам и глинистым минералам (International Clay Conference – ICC) и в настоящий момент насчитывает порядка 40 постоянных членов. Руководство РГГ состоит из почетного председателя, крупнейшего исследователя структур глинистых минералов – Виктора Анатольевича Дрица (Геологический институт РАН), председателя - вашей покорной слуги, секретаря – Петра Белоусова (ИГЕМ РАН).
Области научных исследований, в которых специализируются члены РГГ находятся в широком диапазоне: изучение структур и структурных неоднородных слоистых силикатов, поведение глинистых минералов в почвах и органоминеральные взаимодействия, изучение современных и древних кор выветривания, месторождений бентонитовых, каолиновых, палыгорскитовых глин, использование глинистых минералов как индикаторов фациальных обстановок и условий диагенеза и эпитермальных преобразований, геохронологические и палеогеографические аспекты, оценка влияния состава глинистых минералов на фильтрационно-емкостные свойства горных пород в рамках нефтегазовой геологии, физико-химических и физико-механических свойств глин и глинистых барьеров при использовании их для изоляции объектов ядерного наследия и хранилищ/захоронений РАО, изучение микростроения и коллоидных свойств глин и глинистых грунтов в естественном сложении и в компактированном виде, изучение особенностей диффузии и миграции через глинистые породы, сорбции радионуклидов Cs, Sr, U, Am, Np, аргиллотерапия в комплексе восстановительного лечения и многое другое.
Главной целью деятельности Российской группы по глинам и глинистым минералам является создание благоприятной атмосферы для развития коллаборации специалистов разных областей, как фундаментальной, так и прикладной науки, привлечение науки в решение производственных задач и снижение существующей до сих пор пропасти между ними. К сожалению, в отсутствие адресного запроса от производственных/эксплуатирующих организаций трудно решать стоящие перед ними задачи, хотя современное развитие научной технологии и знаний может позволить значительно продвинуться в самых разных вопросах.
Платформой для налаживания научных и научно-технических связей является проведение регулярных российских и международных мероприятий, а также семинаров и совещаний по узким тематикам. На регулярной основе РГГ проводит следующие мероприятия: Российские школы по глинистым минералам “Argilla Studium”, Российские совещания с международным участием «ГЛИНЫ», Международные конференции по глинам, глинистым минералам и слоистым материалам – “Clays, Clay Minerals and Layered Materials – CMLM”.
В последние несколько лет в России особо пристальное внимание уделяется глинистым барьерам безопасности при изоляции РАО. Подобные исследования поддерживаются двумя крупными научными фондами – Российским научным фондом – РНФ (www.rsf.ruexternal link, opens in a new tab) и Российским фондом фундаментальных исследований – РФФИ (www.rfbr.ruexternal link, opens in a new tab). Статьи, посвященные данной проблематике публикуются в ведущих российских и мировых научных изданиях. В 2018 году состоялся Семинар по использованию бентонитов для изоляции РАО с привлечением специалиста из GBR Артура Мелешина (Artur Meleshin, Германия), в 2019 году состоялсяexternal link, opens in a new tab Московский семинар по радиохимии Межведомственного научного совета по радиохимии при Президиуме РАН и Госкорпорации «Росатом».
- С 13 по 15 ноября 2019 года в Москве вы проводите Четвертое Российское совещание по глинам и глинистым минералам – «ГЛИНЫ-2019», где впервые будет секция по утилизации радиоактивных отходов. Какие главные вопросы вы ставите перед секцией и что вы ожидаете от ее работы?
- 11-13 ноября у нас будет проводиться IV Российская школа по глинистым материалам – Argilla Studium-2019, а 13-15 ноября – соответствующее совещание по глинам и глинистым минералам – «ГЛИНЫ-2019». Подробная информация есть на нашем веб-сайте – www.argillas.ruexternal link, opens in a new tab.
Главная цель школы – методическая, чтобы показать широкой научной публике современные методы изучения состава, строения и свойств глинистых минералов и материалов на их основе. Традиционно с лекциями выступят ведущие российские и зарубежные исследователи.
Впервые в рамках Совещания «ГЛИНЫ-2019» будет организована специальная секция по барьерам и использованию глин при окончательной изоляции РАО. Планируется участие представителей, в том числе молодых ученых и специалистов, из ИБРАЭ РАН, НО РАО, ИГЕМ РАН, ГЕОХИ РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова, РХТУ им. Д.И. Менделеева, МИТХТ, ИФХЭ РАН, МИЭМ РАН, коллег из SKB, GRS, DBE, AIST и др.
Главная идея проведения тематической секции в возможности заслушать и обсудить результаты исследований по узкой теме, заслушать возможные пожелания от представителей организаций Росатома и других объединений, занимающихся утилизацией высоко-токсичных отходов, выработать или скорректировать программы исследований, в которых нуждаются производственные компании. В качестве лекторов будут приглашены ведущие специалисты из РФ и зарубежных исследовательских центров.
- Как долго вы занимаетесь глинами и глинистыми материалами?
- Я занимаюсь глинистыми минералами еще со студенчества, моя кандидатская диссертация была посвящена морским осадкам Норвежского моря и, по-прежнему, в моих исследованиях сохраняется ветвь, посвященная морской седиментологии, но на настоящий момент доля этих исследований минимальна. Основной мой интерес и моей научной группы лежит в области преобразования глинистых минералов в ходе техногенных процессов, вызванных радиоактивными отходами и в области изучения физико-химических и физико-механических свойств бентонитов как компонентов инженерных барьеров безопасности. В Институте геологии, рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (ИГЕМ РАН) я работаю с 2005 года, в данный момент – в должности старшего научного сотрудника. Сложность понимания процессов, которые оказывают техногенные процессы на свойства природной и антропогенной среды призывают к необходимости активной коллаборации между разными учеными, специалистами и институтами. В результате, в своей деятельности, наша группа активно взаимодействует с многими ведущими академическими институтами России: Институт безопасности атомной энергетики РАН – ИБРАЭ РАН, Институт геохимии и аналитической химии – ГЕОХИ РАН, Геологический институт – ГИН РАН, Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина – ИФХЭ РАН. Кроме того идет активное взаимодействие с ведущими российскими университетами: МГУ им. М.В. Ломоносова (геологический и химический факультеты), РХТУ им. Д.И. Менделеева, МИТХТ, что помогает привлекать к решению поставленных задач наше молодое поколение – аспирантов и студентов, а также с такими крупными организациями, работающими в области захоронения радиоактивных отходов, как Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company (SKB, Sweden), DBE TECHNOLOGY GmbH (Germany), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST, Japan) и др.
- Какие исследования и задачи по теме бентонитовых глин сегодня наиболее актуальны для атомной отрасли?
- Применительно к атомной отрасли сейчас наибольший интерес вызывает «барьерная» тематика – использование бентонитовых глин (и других природных материалов) в качестве буфера при захоронении РАО. Собственно, бентониты являются сегодня основным предметом наших исследований. В рамках реализации проектов РНФ и РФФИ в нашей группе изучаются изоляционные свойства бентонитов и их стабильность (преобразование состава и свойств) в модельных условиях, применительно к ПГЗРО, селективная сорбция радионуклидов на бентонитах и природных сорбентах и некоторые другие вопросы, в том числе разработка полномасштабных экспериментов для исследования в Подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ) в Нижне-Канском массиве (НКМ). Подобные исследования в той или иной степени давно рассматриваются международным сообществом, в то время как в России эти работы были активизированы лишь несколько лет назад в связи с активизацией проекта ПГЗРО и, в особенности, с того времени, как ИБРАЭ РАН стал научным руководителем проекта по изоляции РАО в глубинном хранилище в НКМ.
- В чем заключаются основные преимущества использования бентонитовых глин в качестве компонентов инженерных барьеров при захоронении радиоактивных отходов?
- Использование бентонитовых глин при создании пунктов глубинного и приповерхностного хранения, захоронения и консервации РАО является общемировой практикой. Общепризнано, что они являются наилучшим природным изоляционным материалом ввиду особенностей состава и строения основного компонента бентонитовых глин – монтмориллонита (минерала группы смектита). Бентониты выполняют ключевые для барьера противофильтрационные и противомиграционные функции: обладают низкой водопроницаемостью, высокой емкостью катионного обмена и могут сохранять полезные свойства в течение достаточно длительного периода времени (до нескольких десятков и сотен миллионов лет). Ключевым свойством бентонитов, как компонентов изоляционных барьеров при захоронении РАО является способность к набуханию, что обеспечивает самозалечивание пор и пустот после помещения материала в хранилище и приводит к тому, что массообмен становится возможен только посредством диффузии с крайне низкими скоростями. Таким образом, именно бентонит может предотвратить попадание воды к изолируемым РАО (канистрам и контейнерам с отходами). Скорости коррозии и эрозии бентонита довольно низки и позволяют прогнозировать стабильность свойств барьера на ближнюю и дальнюю перспективы. Дополнительное компактирование бентонитового материала, т.е. уплотнение, позволяет добиться уменьшения скоростей диффузии, снизить возможную коррозию за счет микробиальной деятельности, уменьшить воздействие температуры и поровой воды на свойства барьера в ближней зоне РАО, что является крайне важным при захоронении ВАО и ОЯТ и должно использоваться в ПГЗРО.
При засыпке в поверхностных и приповерхностных хранилищах могут использоваться смеси бентонита и местных природных глин, что в данный момент планируется рассмотреть рядом предприятий Росатома при создании барьеров безопасности, связанных с выводом из эксплуатации ПУГРов и других ядерно- и радиационно-опасных объектов.
Один из эффективных вариантов, применяемых в качестве заполнения туннелей при закрытии ПГЗРО и развиваемый в большинстве европейских концепций – смесь песка с бентонитом, свойства которой достаточно хорошо изучены. В то же время использование других потенциальных материалов исследовано хуже, т.к. для каждого из компонентов смеси требуется проведение часто довольно длительных лабораторных и полномасштабных экспериментов для оценки эволюции состава и свойств глинистого материала на ближнюю и дальнюю перспективы.
- Какие технологии применяются в использовании бентонитовых глин именно для захоронения РАО и есть ли у Вас в этой части взаимодействие с Росатомом?
- Из предприятий, имеющих отношение к атомной отрасли, у нас есть совместный проект с ИБРАЭ РАН, касающийся исследований в ПИЛ в Нижне-Канском массиве. Как и подавляющее большинство ПИЛ других стран, наша лаборатория имеет собственное название – ERLIK – Exploratory Rock Laboratory In Krasnoyarsk region (Эрлик – в тюрко-монгольской мифологии владыка подземного мира, высший правитель царства мёртвых). Начало полномасштабных экспериментов в ПИЛ планируется начать в 2021 году. Описание планируемых экспериментов будет опубликовано в журнале «Радиоактивные отходы» в 2019 году.
Многие европейские ПИЛ ведут научную деятельность в течение 10 и более лет (например, лаборатория в Grimsel, где полномасштабный эксперимент с бентонитом длился 18 лет). Исследования материалов для целей создания приповерхностных хранилищ ведутся нашими зарубежными коллегами также довольно давно. Например, компания SKB еще в 1990-х годах разработала системы барьеров для ППЗРО курганного типа для низко и средне активных РАО, которые включают в себя глинистое основание и материал засыпки межконтейнерного пространства из смеси природных грунтов и бентонита, верхнее покрытие из бентонитовых матов (геотекстильный материал с высокими гидроизоляционными свойствами). Подобные или схожие концепции успешно используются на ФГУП «Радон» в течение нескольких лет. Безусловно, нельзя забывать, что перед принятием той или иной концепции создания приповерхностных или глубинных хранилищ/захоронений РАО должны проводиться научные исследования эволюции свойств барьеров, что позволит прогнозировать их стабильность на ближнюю и дальнюю перспективы.
Программа по выводу из эксплуатации промышленных уран-графитовых реакторов (ПУГР) была запущена в 2008 году и заключается в захоронении на месте путем реализации ряда мероприятий, в том числе засыпке всего имеющегося свободного пространства специально разработанной полиминеральной глинистой смесью. Стоит отметить, что засыпка реакторного пространства глинистым материалом реализуется только в России и имеет много преимуществ перед зарубежными концепциями, при которых ядерные реакторы заполняются цементом с созданием цементных или метал-цементных колпаков. В первую очередь, в качестве преимуществ стоит назвать высокую стабильность глинистых материалов по сравнению с цементными и бетонными материалами в условиях ППЗРО.
- По вашему мнению, что можно было бы предпринять сегодня в России для развития работ по использованию бентонитовых глин в ПЗРО?
- Наилучшим вариантом была бы инициация и организация открытых конкурсов научно-исследовательских работ для Росатома, результаты которых должны быть обязательны к опубликованию в открытой печати в ведущих российских и международных изданиях. Как, например, устроен конкурсный отбор в РФФИ и РНФ, когда фонды объявляют тематические конкурсы, собирают заявки, проводят оценку и выделяют финансирование. Например, условно, конкурс по теме разработки, созданию и оценке эволюции свойств материалов инженерных барьеров безопасности в ПГЗРО. Требования упомянутых выше фондов к публикации материалов мотивирует на проведение более качественных работ и публикацию результатов в журналах с более высоким рейтингом, который потенциально прочтут больше специалистов. К сожалению, подавляющее большинство научных и научно-технических работ по запросу Росатома проводятся при условии «для служебного пользования», хотя даже в условиях работы с закрытыми материалами, всегда есть то, что можно «открыть» и что может быть крайне интересно другим специалистам из смежных институтов и областей науки.
- Каковы основные наиболее важные свойства бентонитовых глин для решения вопросов атомной отрасли?
- При применении бентонитовых глин для решения «барьерных» задач основным вопросом являются сохранение высоких противомиграционных свойств на ближнюю и дальнюю перспективы в условиях эксплуатации ППЗРО или ПГЗРО. К противомиграционным свойствам, в общем виде, относятся сорбционные (по отношению к радионуклидам и другим техногенным компонентам) и гидроизоляционные (низкие показатели процессов фильтрации и диффузии, высокое набухание) свойства, которые и позволяют предотвратить попадание вредных компонентов в биосферу. Подобными свойствами обладают только бентонитовые глины.
В том числе бентонитовые глины являются достаточно стабильными минеральными материалами. Например, бентониты вулканогенно-осадочного генезиса месторождения 10й Хутор имеют возраст порядка 320-330 млн. лет, бентониты осадочного генезиса месторождения Зырянское – 15-20 млн. лет и до сих пор сохранили полезные свойства на высоком уровне.
Как я уже упоминала, важным направлением исследований является оценка эволюции глинистых материалов в условиях хранилища/захоронения, где на используемые материалы будут воздействовать грунтовых воды, температура (в ПГЗРО), продукты коррозии металла и разложения стеклянной/цементной матрицы с отходами. Результаты исследования в зарубежных лабораториях убеждают, что протекающие после закрытия хранилища/захоронения процессы не повлекут за собой катастрофических изменений в свойствах глинистых, в первую очередь бентонитовых, материалов. Однако, скорость этих процессов и потенциальные изменения, различия изменений для разных бентонитов или глин должны быть учтены в прогнозной модели безопасности ПГЗРО/ППЗРО.
В отличие от ранее бытовавшего мнения, запасы бентонитовых и бентонито-подобных глин в России достаточно велики и будут увеличиваться в ближайшие годы в связи с доразведкой и началом разработки новых лицензионных участков (например, компанией Бентонит в Минусинской впадине), в отличие от многих европейских концепций (Швеция, Финляндия, Швейцария и целый ряд других) нам не придется покупать бентонит за рубежом и ставить под удар разработку и создание ПГЗРО при изменении политической и экономической ситуации. В национальной концепции некоторых стран в качестве бентонита рассматривается месторождение Вайоминг (США), которое является на настоящий момент самым крупным и изученным, отличается высоким качеством и ценой. Конечно, в подобной ситуации, страны продолжают искать свой собственный материал, но не везде геологическая ситуация благосклонна к образованию бентонитов.
Предлагаем нашим читателям также ознакомиться с комментариями к данному интервью от
- доктора технических наук, заместителя директора по информационно-аналитической поддержке комплексных проблем ядерной и радиационной безопасности ИБРАЭ РАН Игоря Иннокентьевича Лингеexternal link, opens in a new tab,
- члена-корреспондента РАН, заведующего лабораторией радиогеологии и радиогеоэкологии ИГЭМ РАН Сергея Владимировича Юдинцеваexternal link, opens in a new tab и
- директора по развитию компании Бентонит Ольги Александровны Ильинойexternal link, opens in a new tab.
