Современные материалы на основе бентонитовой глины для создания и восстановления инженерных барьеров безопасности

Введение

С развитием Единой государственной системы обращения с радиоактивными отходами (ЕГС РАО) и реализацией большого числа проектов консервации и захоронения радиоактивных отходов и ядерных и радиационно опасных объектов (ЯРОО) в рамках Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016-2020 годы и на период до 2030 года» (ФЦП ЯРБ-2) стала очевидной важная роль в обеспечении долгосрочной безопасности специальных глинистых материалов для создания и восстановления инженерных барьеров. Глины – широко доступный и эффективный природный гидроизоляционный материал, применяемый в строительстве, капитальном ремонте и при реализации экологических проектов. С учетом современных требований в области захоронения РАО к обеспечению долговременной безопасности и необходимости прогнозировать и моделировать состояние пунктов захоронения РАО (ПЗРО) на сроки 10 000 лет и более, для интегрирования технологий применения глинистых материалов из других отраслей промышленности требуется дополнить объем требований специальными показателями качества и унифицировать рекомендации и технические решения по их применению. Принимая во внимание большие объемы барьерных материалов, необходимых для окончательной изоляции РАО, немаловажным условием применения является доступность данных материалов с точки зрения стоимости самого сырья и его транспортировки, а также имеющихся на территории России запасов глин.

Вопросы расширения практики системного применения глинистых материалов на объектах консервации и захоронения РАО были рассмотрены в статьях [1-3]. Авторами было отмечено, что бентонитовые глины по комплексу своих природных характеристик обоснованно являются наиболее эффективным противофильтрационным и противомиграционным материалом для создания инженерных барьеров.

В настоящей статье с практической точки зрения рассмотрены перспективные технологии по созданию и восстановлению инженерных барьеров безопасности объектов консервации и захоронения РАО с использованием бентонитовой глины и некоторые результаты их практического опробования.

Инъекционный материал бентинжект

Перевод объектов размещения особых РАО (ПХРО) в пункты захоронения включает мероприятия по выводу из эксплуатации, консервации и реабилитации территорий. Консервация ПХРО выполняется путем создания и (или) восстановления инженерных барьеров. Значительную часть особых РАО составляют жидкие радиоактивные отходы. Они, обычно, размещены в открытых бассейнах, шламо-, пульпохранилищах, водохранилищах. При их создании сооружались специальные акватории или использовались природные водные объекты. В годы их создания и эксплуатации при обращении с РАО пользовались имеющимися представлениями об экологической и радиационной безопасности. При проведении консервации ПХРО обычно производят заполнение свободного пространства буферным материалом и осуществляют строительство покрывающего экрана, препятствующего попаданию поверхностных вод в тело хранилища. Эти мероприятия увеличивают нагрузку на подстилающий слой и могут стать причиной увеличения его проницаемости и миграции загрязняющих веществ в почву и грунтовые воды. Восстановление изолирующей способности подстилающего слоя и нижележащих грунтов для предотвращения дальнейшей миграции радионуклидов возможно путем создания инженерных барьеров в виде вертикальных или горизонтальных экранов в грунте.

В строительстве существует и успешно применяются технологии, которые позволяют возводить подземные и заглубленные сооружения в условиях плотной городской застройки без устройства открытого котлована. К этим технологиям относятся: «стена в грунте», jet-grouting, технологии глубинного перемешивания, инъектирования. Данные технологии могут быть применены в атомной отрасли для восстановления изолирующих функций барьеров безопасности объектов ядерного наследия, предотвращения процессов миграции радионуклидов, попадания воды в тело хранилища и потери устойчивости и несущей способности грунтов основания объекта. С помощью этих технологий можно создавать вертикальные и наклонные экраны безопасности на глубине до 40 м, толщиной от 0,8 до 1,8 м.  С помощью технологии горизонтально-направленного бурения (ГНБ) можно создать новый горизонтальный противофильтрационный и противомиграционный экран для ПХРО. В качестве материала сооружаемого в грунте противофильтрационного и противомиграционного барьера используется композиционный состав на основе бентонитовой глины. Материал представляет собой сухую минеральную смесь, при затворении которой водой образуется вязкий текучий раствор с высоким содержанием твердых частиц. Производится состав на основе натриевого бентонита и функциональных добавок. При введении в грунт инъекционная смесь в течение 8-12 часов загустевает и образует водонепроницаемый изоляционный слой.

Технология производства работ была подтверждена серией полевых испытаний, где сооружался барьер в грунте по двум технологиям:

1. по технологии jet-grouting барьер состоял из свай диаметром 1,2 м и глубиной 10,0 м, сооруженных с перехлестом в шахматном порядке;

2. по технологии «стена в грунте», шириной 1 м и глубиной 6 м.

По результатам работ были отобраны керновые пробы с разной глубины и определены фильтрационные, сорбционные и диффузионные показатели [4]. Результаты показали, что характеристики соответствует требованиям к барьерным материалам. Технологии «стена в грунте» и jet-grouting с применением композиционных инъекционных составов на основе бентонита позволяют восстанавливать изоляцию пунктов хранения РАО без выемки отходов и имеют перспективы применения для объектов в которых фиксируется миграция радионуклидов в грунт и водоносные горизонты.

Изделия из компактированного бентонита

Изделия из компактированного бентонита в России уже имеют опыт применения в соляных рудниках для укрепления сводов и гидроизоляции, а в атомной отрасли стали известны с появлением концепции глубинного захоронения РАО в кристаллических породах Нижнеканского массива. Использование предварительно спрессованного бентонита необходимо для обеспечения давления набухания после насыщения водой. Благодаря способности к набуханию бентонита, отличающей его от других глин, обеспечиваются такие необходимые характеристики инженерного барьера как низкая фильтрация воды (ниже 10-12 м/c), залечивание водопроводящих трещин в породе, поддержка канистры и защита от воздействия тектонических подвижек, низкие скорости диффузии и фильтр коллоидных частиц.

Один из вариантов размещения бентонитового буфера в скважине захоронения РАО 1 класса в Нижнеканском массиве

Обширные работы по исследованиям компактированных бентонитов и отработке технологий их производства запланированы в рамках работы демонстрационно-исследовательского центра и подземной исследовательской лаборатории в проекте создания пункта глубинного захоронения РАО в Нижнеканском массиве. Для данного проекта будут разработаны изделия уникальной конфигурации, специально для того, чтобы максимально заполнить пространство между контейнерами и вмещающей породой в скважине захоронения. Согласно предварительной концепции захоронения изделия будут представлять собой сегменты дисков и колец и пеллеты с плотностью скелета 1,7-1,8 г/см3.

Изучение технологии изготовления и свойств компактированного бентонита является одним из текущих направлений исследований Группы компаний Бентонит. Подбираются режимы прессования и параметры исходного сырья (фракционный состав, влажность), подбор оптимальных форм изделий с учетом способов их установки в скважину захоронения. С развитием технологий компактирования бентонита, изделия для атомной отрасли можно будет изготавливать серийно, что расширит их область применения. 

Бентонитовые маты

Бентонитовые маты относятся к наилучшей доступной технологии при размещении отходов производства и потребления [5]. За последние десятилетия бентонитовые маты благодаря своей технологичности и долговечности успешно заменяют глиняный замок при реализации экологических проектов и пленочную и обмазочную гидроизоляцию при строительстве.

На объектах консервации и захоронения РАО бентонитовые маты могут быть применены в составе глиняного экрана как подстилающего или покрывающего слоя для снижения его толщины. Укладка бентонитового мата осуществляется внахлест без сварки и сшивания, что гораздо технологичнее, чем производить послойное уплотнение глины или суглинка. При заменен экрана из местных высокопластичных глин с невыдержанным минеральным составом (так называемые «жирные» глины) на экран из бентонитовой глины и бентонитового мата, можно сократить толщину экрана в два раза.

Бентонитовые маты уже были применены при строительстве второй очереди ПЗРО в Новоуральске в составе подстилающего экрана в сочетании со слоем уплотненной бентонитовой глины. Рассматривается применение бентонитовых матов в составе покрывающего экрана при закрытии первой карты ПЗРО в г. Новоуральск, при консервации пунктов размещения ЖРО, при строительстве новых ПЗРО в Озерске, Северске.

Укладка бентонитовых матов при строительстве подстилающего экрана хвостохранилища

Заключение

Бентонитовые глины широко применяются в качестве гидроизоляционного материала и имеют развитую номенклатуру продукции для этих целей: бентопорошки, инъекционные составы, бентонитовые маты, компактированный бентонит и др. Природная способность бентонита к набуханию обеспечивает самогерметизацию, низкую скорость фильтрации воды и диффузии, а высокая емкость катионного обмена –хорошую сорбционную способность. Накоплен огромный научный опыт по исследованию бентонитов для создания инженерных барьеров, который может быть использован для обоснования безопасности долгосрочной изоляции РАО. Применение современных технологий и материалов на основе бентонитовой глины на объектах использования атомной энергии позволит избежать ошибок, которые могут привести к негативным эффектам через 5-10 лет, включая значимые радиационные и экономические последствия.

Автор

• Ильина Ольга Александровна, директор по развитию ООО «Компания Бентонит», ilina@bentonit.ru

Ссылки

1. Крупская В.В., Бирюков Д.В., Белоусов П.Е., Лехов В.А., Романчук А.Ю., Калмыков С. Н. Применение природных глинистых материалов для повышения уровня ядерной и радиационной безопасности объектов ядерного наследия // Радиоактивные отходы. 2018. № 2 (3). С. 30—43.

2. Линге И.И., Иванов А.Ю., Казаков К.С. О системных мерах по расширению применения глиняных материалов на объектах атомной отрасли // Радиоактивные отходы. 2018. № 4 (5). С. 33—41.

3. Ильина О.А., Крупская В.В., Винокуров С.Е., Калмыков С.Н. Современное состояние в разработках и использовании глинистых материалов в качестве инженерных барьеров безопасности на объектах консервации и захоронения РАО в России // Радиоактивные отходы. 2019. № 4 (9). С. 71—84.

4. Исследование противофильтрационных и противомиграционных свойств материалов на основе бентонита для повышения безопасности объектов ядерного наследия. Ильина О.А., Лундин Д.С., Проскурин Д.В., Семенкова А.С., Лехов В.А., Романчук А.Ю. В книге: Глины и глинистые минералы Материалы докладов VI Российской Школы по глинистым минералам и IV Российского Совещания по глинам и глинистым минералам. 2019. С. 260—262.

5. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 17—2016 «Размещение отходов производства и потребления». Утвержден приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии №1885 от 15.12.2016 г.

Презентация

Презентация О.А. Ильинаexternal link, opens in a new tab by Atomic-Energy.ruexternal link, opens in a new tab on Scribd