Ученые лаборатории радиационного контроля и экологических проблем обращения с радиоактивными и токсичными отходами ИФХЭ РАН исследовали диффузионно-сорбционные характеристики глинистых материалов, которые используются для создания защитных барьеров при изоляции радиоактивных отходов (РАО).
Впервые были выявлены закономерности поровой диффузии из растворов различного солевого состава для ряда радиоактивных элементов. Результаты работы не только дополняют теоретические представления о геохимических процессах миграции техногенных радионуклидов, но и могут быть использованы для обоснования радиационной безопасности инженерных объектов.
Методом сквозной диффузии при комнатной температуре исследована миграция радиоактивных элементов в образцах глинистых материалов различного минерального состава в процессе поровой диффузии из модельных растворов: подземных вод и выщелата фосфатного стекла с общим содержанием солей до 500 мг/л. Изучение диффузии и сорбции радионуклидов из выщелата фосфатного стекла (основной накопленной в России кондиционной матрицы для консервации РАО) позволяет понять процессы, которые могут происходить в создаваемом в Красноярском крае пункте глубинного захоронения (ПГЗРО) в течение длительного времени после его заполнения.
Вместе с радиоактивными изотопами (3H, 99Tc, 137Cs, 133U) в экспериментах использовались их химические аналоги – имитаторы: Se, Br, Mo, Cs, U, в том числе стабильные изотопы тех же радиоактивных элементов. В качестве барьерных материалов изучались промышленные продукты из глинистого сырья перспективных месторождений: восковидного бентонита Камалинского месторождения (Красноярский край), бентонита месторождения “10-й Хутор” (Хакасия), полиминеральной огнеупорной глины и каолина Кампановского месторождения (Красноярский край), а также глинистый заполнитель из зоны трещиноватости во вмещающих породах ПГЗРО, отобранный с глубины 500 метров от поверхности из керна разведочной скважины.
Глинистые материалы различного минерального состава широко используются для ограничения миграции радионуклидов при консервации и захоронении радиоактивных отходов. Прежде всего, они сводят к минимуму конвективный массоперенос радионуклидов фильтрующимися порово-трещинными подземными водами – самый опасный для распространения радиационного загрязнения. При отсутствии фильтрации подземных вод глиняные барьеры эффективно замедляют диффузионную миграцию радионуклидов в поровых растворах, на которую влияют самые разные факторы: пористость материала, содержание в нем набухающих глинистых минералов группы смектитов, концентрация радионуклида в поровом растворе, кислотность раствора, суммарная концентрация солей, окислительные условия и так далее.
«Никакие глиняные барьеры не способны полностью предотвратить миграцию радионуклидов в долгосрочной перспективе, однако они могут существенно ее замедлить, а часть радиационного загрязнения прочно зафиксировать благодаря своим сорбционным свойствам, – рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории, кандидат геолого-минералогических наук Константин Валентинович Мартынов. – Наша задача – подобрать состав барьерного материала так, чтобы конвективный и диффузионный перенос происходили как можно медленнее, а сорбционная задержка была как можно больше. Данное исследование дополняет массив экспериментальных результатов о диффузии элементов в поровом растворе глинистых материалов, потенциально пригодных для создания защитных барьеров при захоронении и консервации радиоактивных отходов».
Частицы смектитов при взаимодействии с растворами различного солевого состава набухают в разной степени, поэтому пористая структура глины меняется с изменением состава раствора. Эксперименты показали, что состав раствора практически не влияет на диффузию молибдена и цезия, однако он оказался решающим для селена и урана.
«Выяснилось, что диффузионное поведение молибдена и цезия в поровых растворах глинистых материалов одинаково, как для подземной воды, так и для выщелата фосфатного стекла, – сказал Константин Валентинович. – Но селен и уран в растворах с различным солевым составом ведут себя по-разному. Это касается и сорбции на глинистых минералах, и диффузии в поровом растворе. Для описания диффузии селена и урана в разных средах требуется применять разные численные модели в зависимости от пористости, концентрации радиоактивного элемента и минерального состава глины».
Полученные результаты могут быть использованы для расчетов миграции радионуклидов для конкретных условий и оценки безопасности инженерных сооружений по консервации и захоронению радиоактивных отходов.