3 сентября 2021

На заседании НТС Росатома обсудили вопрос использования глинистых материалов в качестве барьеров безопасности на объектах атомной отрасли

Atomic-Energy.ru

2 июля состоялось заседание Научно-технического совета (НТС) №5 Госкорпорации «Росатом» по тематике «Глинистые природные материалы в качестве инженерных барьеров безопасности радиационно-опасных объектов».

В заседании, проходившем под председательством руководителя НТС №5, академика РАН, Бориса Федоровича Мясоедова, приняли участие представители Росатома и его подведомственных предприятий, Ростехнадзора, НТЦ ЯРБ, «Компании Бентонит», ИБРАЭ РАН и других институтов Российской академии наук.

Первым с докладом выступил декан химического факультета МГУ Степан Николаевич Калмыков, рассказавший о мировом опыте применения барьерных материалов на основе глин и преобладании выбора бентонитов в технических решениях для захоронения РАО различных классов опасности.

По его словам, вне зависимости от того, какие породы рассматриваются в качестве изолирующего материала для изоляции РАО различных классов опасности или ОЯТ (гранит, солевые формации и др.), глинистые минералы всегда используются как важнейшая составляющая противофильтрационного и противомиграционного барьера. Мировой опыт показывает, что хранилища располагаются либо вдоль глинистых формаций, что само по себе является природной изоляцией; либо, если это кристаллические породы, как гранит и т.п., то глинистые минералы и смеси на их основе используются в качестве насыпного материала вокруг объектов захоронения. Использование глинистых минералов и смесей на их основе является общепринятой мировой практикой. Во многих странах мира (Бельгия, Венгрия, Германия, Испания, Нидерланды, США, Франция, Швейцария, Швеция, Финляндия, Япония и др.) в качестве наиболее перспективных рассматриваются именно глинистые минералы на основе бентонита.

В качестве примера спикер привел хранилище РАО в японском Рокашшо, где в приповерхностном хранилище изоляция РАО производится смесью бентонита с песком, а в проекте ПГЗРО планируется использовать прессованный бентонит. В Швеции на пунктах SFL и SFR для изоляции короткоживущих НАО и САО используются прессованные изделия из бентонита и смесь бентонита с песком. В ряде стран при проектировании пунктов изоляции ОЯТ и радиоактивных отходов (в первую очередь на сооружаемых пунктах Onkalo в Финляндии и в Форсмарке в Швеции, а также проектируемых объектах в Канаде, Швейцарии, Испании, Франции и др.) планируется использовать бентонит в его различных формах – бентонитовая глина комовая, гранулы, заглушки из бентонита и цемента и пр.

Изолирующие свойства бентонита обусловлены породообразующим минералом монтмориллонитом, в числе свойств которого имеется способность к самозалечиванию, когда набухание приводит к смыканию трещин и других дефектов. Монтмориллонит обладает неизменностью свойств при перепадах температур, давления, химических воздействий, обладает высокой радиационной устойчивостью. Все эти свойства удовлетворяют установленным в НП-055 требованиям к инженерному изоляционному барьеру. 

В частности, по мнению Степана Николаевича Калмыкова, в первую очередь следует обращать внимание на противофильтрационные, протвомиграционные и сорбционные свойства бентонита.

Что касается противофильтрационных свойств, в докладе декана химического факультета МГУ приведен сравнительный анализ свойств различных глинистых минералов, которые используются в качестве составляющих смесей или в индивидуальном качестве в составе инженерных барьеров. Анализ показывает, что монтмориллонит, являющийся породообразующим минералом бентонита, имеет более высокую способность к набуханию и соответственно, более высокие противофильтрационные качества, чем другие варианты глинистых материалов – каолинит, приофилит, иллит, мусковит, смешаннослойные минералы.

Особое внимание Степан Николаевич Калмыков заострил на следующих свойствах барьерных материалов: коэффициент фильтрации, давление набухания, диффузионные и сорбционные свойства.

Докладчиком было показано, что коэффициент фильтрации бентонитов в сравнении с каолиновыми глинами на 2 порядка меньше, а при значительном уплотнении – на 3 порядка.

На базе химического факультета МГУ проводятся крупномасштабные исследования миграции радиоактивных элементов (тритий, технеций, радиоактивные изотопы хлора, углерода, селена и др.) через барьерный материал на основе глинистых минералов. Исследования показали, что коэффициент диффузии резко падает с увеличением доли монтмориллонита и с увеличением сухой плотности. 

Полученные результаты по диффузии радионуклидов коррелируют с данными по сорбции. Вне зависимости от механизма протекания сорбции результат напрямую зависел от содержания монтмориллонита в испытуемой смеси. Чем выше было содержание монтмориллонита, тем более высокие сорбционные свойства проявляла исследуемая смесь.

В конце своего доклада Степан Николаевич Калмыков сделал вывод о том, что подтверждаемые экспериментальным путем противофильтрационные, противодиффузионные и сорбционные свойства бентонитовой глины являются оптимальными для применения их в качестве барьерного материала. Для захоронения РАО рекомендуется использовать природные глины или смеси глин с содержанием монтмориллонита не менее 60%.

Данные выводы подтверждаются совместными исследованиями ученых МГУ и ИГЕМ РАН, которые доказывают, что наилучшими изолирующими свойствами обладают бентониты, далее в этом ряду стоят смеси на основе бентонита и каолина и завершают этот ряд материалы на основе каолиновых глин. Фактически, те невысокие показатели, которые были получены для каолиновых глин обусловливаются присутствием в их составе минералов группы смектита, а также пакетов смектита в составе смешанослойных минералов ряда каолинит-смектит. По результатам исследования пришли к выводу, что внесение каолина в барьерную смесь фактически является разубоживанием и как следствие, приводит к снижению показателей качества. При подборе рецептур барьерных смесей следует учитывать особенности конкретного объекта: геологическая и гидрогеологическая ситуация, состав грунтовых вод, микробиологических и геохимических процессов, состав инженерных барьеров, особенности конструктивных элементов объекта, вид размещенных отходов и пр. и т.д.

Так же на заседании НТС №5 выступили представители ряда предприятий Росатома, доложившие об опыте использования глинистых материалов в качестве барьера применительно именно к объектам исторического наследия атомной отрасли РФ. Так, были представлены доклады по опыту вывода из эксплуатации промышленных уран-графитовых реакторов и отработке способов заполнения барьерными материалами внутришахтных и внереакторных помещений ПУГР на ГХК, а также о стендовых испытаниях по заполнению межконтейнерного пространства ППЗРО (докладчик – представитель ГХК Олег Мударисов), про аналогичный опыт при выводе из эксплуатации реактора ЭИ-2 в Северске (докладчики – представитель ОДЦ УГР Владимир Загуменнов и заведующая лабораторией ИФХЭ РАН Елена Захарова). Об использовании природных глин при сооружении внешних барьеров безопасности при создании пунктов консервации и захоронения РАО доложил представитель СХК Андрей Зубков.

Отдельно на НТС №5 были затронуты вопросы потребности в барьерных материалах для различных типов объектов захоронения РАО (докладчик – представитель ИБРАЭ РАН Андрей Анатольевич Самойлов) и о проекте программы соответствующих исследований (докладчик – заведующий лабораторией ГЕОХИ РАН Сергей Евгеньевич Винокуров).

Генеральный директор ООО «Компания Бентонит» Александр Вячеславович Ветюгов в своём докладе на тему «Вопросы выбора, обоснования и контроля качества глинистых барьерных материалов на основе бентонитовой глины» отметил важнейшие свойства бентонита применительно к обращению с РАО.

Как рассказал участникам НТС Александр Вячеславович Ветюгов, сегодня в мире разведанные залежи бентонита оцениваются в 10 млрд тонн и в этой сфере лидируют США, где бентонит имеет очень высокое качество и содержание монтмориллонита доходит до 99%, но проблема заключается в том, что для европейских и азиатских потребителей транспортировать его достаточно проблематично и дорого.

Запасы в Китае – 3 млрд тонн, но с содержанием монтмориллонита менее 60%, поэтому азиатским потребителям приходится смешивать местное и американское сырье. В бентоните из Индии содержание монтмориллонита составляет порядка 50-75%, отмечается нестабильность по качеству. В России текущие запасы бентонитовой глины оцениваются в 350 млн тонн с содержанием монтмориллонита также 50-70%.

По объемам добычи Группа Компаний «Бентонит» входит в пятерку лидеров мирового рынка.

Как сообщил руководитель «Компании Бентонит» потребности атомной отрасли в бентоните в перспективе составят 100 тыс тонн в год, по другим оценкам они могут составить 200 тыс тонн и более. В России запасы бентонитовой глины, по мнению Александра Вячеславовича Ветюгова, значительные, но для атомной энергетики желательно применение бентонита с содержание монтмориллонита не менее 60%, поэтому для нужд атомной отрасли на сегодняшний день используются только наиболее качественные материалы. Например, запасы на месторождениях в Республике Хакасии составляют 21 млн тонн, с содержанием монтмориллонита 70%, в Курганской области – соответственно 15 млн тонн и 70%, в Азербайджане – 56 млн тонн и 80%. В Казахстане находится месторождение уникального бентонита с содержанием монтмориллонита 96%.

При существующем уровне добычи этих запасов хватит на 120 лет эксплуатации. Нынешнее производство «Компании Бентонит» позволяет обеспечить материалом все виды работ по захоронению и консервации РАО в РФ. Сегодня из бентонитовой глины производится широкий спектр продукции: бентонитовый порошок, гранулы, бентонитовые маты, компактированный бентонит.

Сегодня в мире бентонит используется для организации подстилающего или покрывающего экранов, для заполнения внутреннего пространства реакторов, для создания любых видов внутренних и внешних инженерных барьеров безопасности. Помимо атомной энергетики, бентонит применяется также при захоронении ТКО и промышленных отходов при организации противофильтрационных экранов. 

Различные материалы на основе бентонита для создания инженерных барьеров безопасности

В завершение заседания НТС его председатель, академик РАН Борис Федорович Мясоедов подвёл итоги дискуссии и поблагодарил всех участников и присутствующих за активное участие. Он отметил, главная функция инженерного барьера – это предупреждение распространения радионуклидов в окружающую среду. В первую очередь, для формирования инженерных барьеров безопасности следует утвердить основные параметры предполагаемого к использованию глинистого материала. Решение данной проблемы должно быть комплексным и не может быть связано с использованием только одного компонента. Для решения этих и сопутствующих проблем по результатам проведенного НТС 5 разработан проект программы исследований, который ожидает утверждения и реализации в текущем времени.