КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 22-17-00252
НазваниеМинеральные трансформации в мультибарьерной системе при изоляции радиоактивных отходов в геологических формациях как индикатор прогноза обеспечения безопасности захоронения
Руководитель Крупская Виктория Валерьевна, Кандидат геолого-минералогических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук , г Москва
Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-116 - Радиогеоэкология, геологическая изоляция ядерных материалов
Ключевые слова Захоронение радиоактивных отходов, инженерные барьеры безопасности, бентониты, глинистые материалы, сталь, водопроницаемость, эволюция состава и свойств, модельные эксперименты
Код ГРНТИ38.35.24
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Захоронение высокоактивных радиоактивных отходов (ВАО) в геологических формациях представляет собой сложную, комплексную задачу и часто ставит науку и технологию перед своего рода вызовом, который не стоял ранее. Система инженерных барьеров безопасности (ИББ), в которую входят: материал изоляции РАО и ОЯТ (стеклянные, цементные и другие матрицы), материал канистр/контейнеров/транспортировочных изоляционных стаканов, материал бетонных конструкций, глинистый материал, должна сохранять функции обеспечения безопасности в эффективном удержании радионуклидов в пределах пунктов захоронения РАО (ПГЗРО) в течение длительного времени (от 300 до 10 000 лет). В рамках применения системы искусственных барьеров, в качестве буферного материала, располагаемого между контейнерами с отходами и вмещающей горной породой или используемого для герметизации помещений подземного хранилища, в подавляющем большинстве развиваемых на настоящий момент концепций используют бентонит или смеси бентонита с песком. При этом, буферный материал может быть изготовлен для размещения на различных участках хранилища/захоронения в виде сегментов дисков, колец, блоков и пеллет из компактированных (уплотненных) глинистых материалов.
Ключевыми требованиями к буферному материалу при захоронении ВАО являются- низкая водопроницаемость, способность к самогерметизации, способность сохранять свои свойства в течение длительных сроков. Полным набором требуемых свойств среди природных материалов обладают только глинистые материалы, способные к набуханию, то есть бентонитовые и бентонитоподобные глины содержащие в своей основе минералы группы смектита (монтмориллонит, бейделитовый монмториллонит и др.). Именно благодаря подобным свойствам, во всех концепциях, рассматривающих вариант захоронения ВАО в трещиноватых кристаллических массивах (гранитах и гранито-гнейсах), в качестве барьерного материала буфера выбран бентонит.
Защитные функции барьеров безопасности (удержание и замедление миграции радионуклидов за пределы хранилища) могут быть определены исходя из понимания свойств компонентов и их долгосрочного изменения в условиях эксплуатации ПГЗРО. В России на настоящий момент разрабатывается концепция захоронения РАО в кристаллических породах на участке недр «Енисейский». Созданию ПГЗРО будет предшествовать фаза создания и реализации подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ), в которой должны начаться исследования в 2025 году. Фазе ПИЛ в свою очередь должны предшествовать лабораторные эксперименты, моделирующие условиях в ПГЗРО в момент эксплуатации и после закрытия, которые позволят рассмотреть действие потенциальных негативных процессов.
В ходе эксплуатации ПГЗРО материалы ИББ будут испытывать различные нагрузки, включая повышенные температуры, которые могут возникать за счет радиоактивного распада ВАО, воздействие поровых вод в районе захоронения, в том числе после выщелачивания стеклянных матриц РАО класса 1 и цементных матриц РАО класса 2, коррозии металлических контейнеров, эрозии глинистого материала и т.д. Комбинированное воздействие данных процессов может изменить состав глинистых материалов ИББ, тонкое строение отдельных компонентов ИББ и привести к модификации изоляционных свойств материалов в длительной перспективе, на которую сохраняется потенциальная опасность изолируемых в ПГЗРО радиоактивных отходов. Рассмотреть все потенциальные процессы в рамках одного проекта невозможно.
В данном случае будут рассмотрены взаимодействия на границе порода-бентонит и бентонит-сталь. Основной акцент будет сделан на эволюции состава и свойств бентонита, как одного из основных компонентов ИББ, на который возлагается большая доля сохранения функций безопасности всей системы ИББ и ПГЗРО в целом. При этом изменение свойств бентонита в условиях ПГЗРО во многом определяется преобразованием монтмориллонита при повышенной температуре в присутствии поровой воды кристаллического массива, а также взаимодействием с другими компонентами ИББ.
В качестве модельных экспериментов будут задействованы несколько серий, в которых будут смоделированы различные условия:
1. Экспериментальное исследование преобразования бентонитов в модельных условиях ПГЗРО и генерации/сорбции СО2;
2. Экспериментальные исследования преобразования бентонитов при контакте с металлическими материалами контейнеров с РАО и коррозия металла в заданных условиях;
3. Экспериментальные исследования вопросов газогенерации и преобразования состава трещинного заполнения в модельных условиях;
4. Вопросы сорбции/десорбции редкоземельных элементов, как аналогам наиболее опасных радионуклидов на образцах кристаллических пород участка «Енисейский»,
В ходе проведенных работ будут выявлены структурные критерии строения глинистых минералов, контролирующие их преобразование в условиях ПГЗРО, описаны механизмы трансформации строения минералов, которые могут повлиять на сохранение изоляционных свойств барьерных материалов, процессы преобразования глинистых материалов и потенциальное изменение их свойств, вопросы открытия карбонатных трещин как новых путей миграции радионуклидов при негативном сценарии, растворение карбоната трещин кристаллических пород в модельных условиях ПГЗРО, газогенерация в ходе растворения карбонатного материала заполнения трещин и бентонитов, коррозия стали при воздействии бентонита и поровой воды массива.
Полученные при реализации проекта научные и научно-технических результаты будут использованы для обоснования выбора глинистого материала для создания буферного слоя и при обратном заполнении туннелей и шахт, а также для численного моделирования эволюции состава и свойств ИББ на заданную проектом временную перспективу.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Закусин С.В., Покидько Б.В., Толпешта И.И., Закусина О.В., Крупская В.В. Оценка адсорбционной способности бентонитов комплексом методов Сборник тезисов. X Российская конференция с международным участием "РАДИОХИМИЯ-2022". 26-30 сентября 2022 года, Санкт-Петербург. Издательство: ООО "Месол", Москва, 2022, с. 202 (год публикации - 2022)
2. Закусина О.В., Закусин С.В., Тюпина Е.А., Крупская В.В. Преобразование бентонитов под воздействием щелочей Сборник тезисов. X Российская конференция с международным участием "РАДИОХИМИЯ-2022". 26-30 сентября 2022 года, Санкт-Петербург. Издательство: ООО "Месол", Москва, 2022, с. 374 (год публикации - 2022)
3. Крупская В.В., Закусина О.В., Закусин С.В., Тюпина Е.А., Савельева Е.А., Уткин С.С. Программа исследований для обоснования применения глинистых материалов для глубинного захоронения на участке "Енисейский" Сборник тезисов. X Российская конференция с международным участием "РАДИОХИМИЯ-2022". 26-30 сентября 2022 года, Санкт-Петербург. Издательство: ООО "Месол", Москва, 2022, с. 403 (год публикации - 2022)
4.
Ходосова Н.А., Новикова Л.А., Томина Е.В., Бельчинская Л.И., Жабин А.В., Куркин Н.А., Крупская В.В., Закусина О.В., Королева Т.А., Тюпина Е.А., Васильев А., Казин П.Е.
Magnetic Nanosorbents Based on Bentonite and CoFe2O4 Spinel
Minerals, 12(11), 1474, pp. 1-16 (год публикации - 2022)
10.3390/min12111474
5. Королева Т.А., Закусина О.В., Морозов И.А., Закусин С.В., Крупская В.В. Бентониты Минусинской впадины (респ. Хакасия) как потенциальный материал для создания инженерных барьеров безопасности Сборник тезисов. X Российская конференция с международным участием "РАДИОХИМИЯ-2022". 26-30 сентября 2022 года, Санкт-Петербург. Издательство: ООО "Месол", Москва, 2022, с. 398 (год публикации - 2022)
6. Рощин М.О., Закусина О.В., Закусин С.В., Морозов И.А., Крупская В.В. Зависимость прочности компактированных глинистых материалов от минерального состава и влажности Сборник тезисов. X Российская конференция с международным участием "РАДИОХИМИЯ-2022". 26-30 сентября 2022 года, Санкт-Петербург. Издательство: ООО "Месол", Москва, 2022, с. 446 (год публикации - 2022)
Публикации
1.
Томина Е., Новикова Л., Котова А., Мещерякова А., Крупская В., Морозов И., Королева Т., Тюпина Е., Перов Н.
ZnFe2O4/ZeoliteNanocompositesfor sorption extraction of Cu2+ from aqueous medium
AppliedChem, 3, pp. 452–476 (год публикации - 2023)
10.3390/appliedchem3040029
2. Крупская В.В., Закусин С.В., Закусина О.В., Морозов И.А., Тюпина Е.А. Transformation of Clay Minerals in Technogenic Processes Associated with Radioactive Waste Disposal Book of abstracts of the 26TH CONGRESS AND GENERAL ASSEMBLY OF THE INTERNATIONAL UNION OF CRYSTALLOGRAPHY, p. 1 (год публикации - 2023)
3. Борисовский С.Е., Полуэктов В.В., Ковальчук Е.В. Минеральные преобразования в трещинах пород участка, предназначенного для строительства подземной исследовательской лаборатории (Южно-Енисейский кряж, Красноярский край) Минералообразующие системы месторождений высокотехнологичных металлов: достижения и перспективы исследований. Всероссийская конференция, проводимая в рамках мероприятий, посвященных 300-летию РАН. Материалы конференции [Электронный ресурс] М: ИГЕМ РАН, с. 474-477 (год публикации - 2023)
4. Козлов П.П., Тюпина Е.А., Крупская В.В. Разработка лабораторных стендов для определения коэффициентов фильтрации и минеральных преобразований системы инженерных барьеров безопасности в условиях ПГЗРО Глины и глинистые минералы - 2023. VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023». Санкт-Петербург, 13-16 июня 2023 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2023. 232 с., с. 192-194 (год публикации - 2023)
5. Королева Т.А., Морозов И.А., Белоусов П.Е., Рощин М.О., Жигарев В.В., Семин П.В. Особенности минерального состава бентонитовых глин месторождений Южно-Минусинской впадины Глины и глинистые минералы - 2023. VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023». Санкт-Петербург, 13-16 июня 2023 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2023. 232 с., с. 56-57 (год публикации - 2023)
6. Крупская В.В., Закусин С.В., Морозов И.А., Тюпина Е.А. Вопросы эволюции глинистых материалов в условиях глубинного захоронения радиоактивных отходов Глины и глинистые минералы - 2023. VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023». Санкт-Петербург, 13-16 июня 2023 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2023. 232 с., c. 200-202 (год публикации - 2023)
7. Морозов И.А., Крупская В.В., Козлов П.П. Контактные взаимодействия материалов ИББ (бентонит- сталь) в модельных условиях ПГЗРО Глины и глинистые минералы - 2023. VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023». Санкт-Петербург, 13-16 июня 2023 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2023. 232 с., с. 213–214 (год публикации - 2023)
8. Покидько Б.В., Крупская В.В., Закусина О.В., Закусин С.В. Оценка распределения заряда в смектитах алкиламмонийным методом, методом Cu-trien и по расчету структурных формул Глины и глинистые минералы - 2023. VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023». Санкт-Петербург, 13-16 июня 2023 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2023. 232 с., с. 37-39 (год публикации - 2023)
9. Крупская В.В., Закусин С.В., Морозов И.А., Королева Т.А. Техногенные преобразования глинистых минералов в процессах, связанных с обращением с радиоактивными отходами Минералообразующие системы месторождений высокотехнологичных металлов: достижения и перспективы исследований. Всероссийская конференция, проводимая в рамках мероприятий, посвященных 300-летию РАН. Материалы конференции [Электронный ресурс] М: ИГЕМ РАН, с. 484-486 (год публикации - 2023)
10.
Королева Т.А., Крупская В.В., Тюпина Е.А., Зайцева Т.С., Морозов И,А., Покидько Б.В., Козлов П.П.
Impacts of impurity removal chemical pretreatment procedures on the composition and properties of bentonites
Minerals, Vol.14, № 8, p. 736 (год публикации - 2024)
10.3390/min14080736
11. Морозов И.А., Королева Т.А., Нестеренко А.А., Козлов П.П., Крупская В.В. Преобразование бентонитов в модельных растворах захоронения радиоактивных отходов Новое в познании процессов рудообразования: Двенадцатая Российская молодежная научно- практическая Школа, Москва, 27 ноября – 01 декабря 2023 г. Сборник материалов [Электронный ресурс] - М.: ИГЕМ РАН, с. 141 (год публикации - 2023)
12. Нестеренко А.А., Королева Т.А., Морозов И.А. Оценка степени кристалличности каолинитов из различных месторождений Российской Федерации Глины и глинистые минералы - 2023. VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023». Санкт-Петербург, 13-16 июня 2023 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2023. 232 с., с. 33 (год публикации - 2023)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на исследование процессов, протекающих на границе барьеров безопасности в условиях глубинного захоронения радиоактивных отходов (РАО), которая предполагается в Российской Федерации на территории Красноярского края. Для исследований были взяты граничные взаимодействия буферных материалов (бентонит и потенциальные материалы контейнеров с РАО) с геологическим барьером (материал вмещающей породы участка захоронения).
Данный этап является завершающим, поэтому, согласно уточненному плану на 2024 год, были завершены эксперименты по исследованию процессов, протекающих на границе бентонит-порода, бентонит-металл, выявление особенностей процессов коррозии потенциальных материалов контейнера в присутствии бентонита, исследования особенностей газогенерации буферных материалов в модельных условиях захоронения.
Исследования в специализированных установках, созданных в рамках проекта при повышенных температурах (60°, 90° и 120°С, в том числе в присутствии бентонитов) показали незначительное изменение объема трещин в образцах кристаллических пород. В гнейсе объем трещины уменьшился с 0,06 до 0,05 об.%, в долерите с 0,58 до 0,52 об.%, в материале заполнения трещин объем трещин увеличился с 0,17 до 0,26 об.%. Изменений в составе бентонитов на контакте с породой выявлено не было, кроме состава обменных катионов, который изменился за счет влияния модельного раствора. При этом исследования по кольматации выявили значимое снижение проницаемости (почти в 3 раза) за счет внедрения коллоидов бентонитов в мелкие трещины и поры на поверхности образцов гнейсов и долеритов.
Проведенные исследования по анализу газогенерации в модельных условиях ближней зоне глубинного захоронения показали, что основным газом являлся водород, формирующийся за счет коррозии образцов металлических материалов, а углекислый газ имеет низкие содержания. Низкие содержания СО2 можно объяснить его присутствием в модельном растворе, а также за счет содержания в воздухе, который находился в микропорах бентонита. По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что роль карбонатных минералов в бентонитах не оказывают значимого влияния на состав выделяющегося газа, а риск раскрытия карбонатных трещин и образования газа за счет разложения карбонатных минералов в бентонитах можно считать минимальным и это не окажет значимого влияния на обеспечение безопасности захоронения в целом.
Исследование процессов коррозии материалов контейнеров проводилось на примере образцов меди, углеродистой и нержавеющей сталей (медь М1, сталь Ст3, нержавеющая сталь AISI321). содержания примесных минералов не так значимо сказывается на скорости коррозии стали, как поверхностные свойства бентонитов и строение смектита. В бентонитах с низкой удельной поверхностью за счет формирования так называемого «жертвенного слоя» происходит замедление сорбции и миграции продуктов коррозии в «тело» бентонита по сравнению с бентонитами с высокой удельной поверхностью, что приведет к снижению скоростей коррозии на длительных сроках эксплуатации ПГЗРО.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о большей перспективности для использования в ближней зоне ПГЗРО бентонитов месторождения 10й Хутор (республика Хакасия) по сравнению с другими бентонитами крупных месторождений Российской Федерации и ближайшего зарубежья.
Публикации
1.
Ильина О.А., Крупская В.В., Закусин С.В., Понизов А.В., Мурлис Д.В., Верещагин П.М.
Обоснование необходимых и достаточных характеристик глинистых материалов для создания инженерных барьеров безопасности
Ядерная и радиационная безопасность (год публикации - 2024)
10.26277/SECNRS.2024.114.4.003
2.
Вознесенский Е.А., Карпенко Ф.С., Крупская В.В., Закусин С.В.
Ключевые Геотехнические Характеристики Глинистых Материалов для Инженерных Барьеров Безопасности ПГЗРО на Участке «Енисейский»
Радиоактивные отходы, Том 28, № 3, стр. 43-58 (год публикации - 2024)
10.25283/2587-9707-2024-3-43-58
3. Морозов И.А., Королева Т.А., Крупская В.В. Поведение материалов инженерных барьеров безопасности в модельных условиях ПГЗРО 2-я Школа молодых ученых «Научные основы завершающих стадий ядерного топливного цикла»: Тезисы докладов, Москва, 2024. – 65 с, стр. 39 (год публикации - 2024)
4. Покидько Б.В., Дулина О.А. Определение порога медленной коагуляции дисперсий Na+-монтмориллонита методом ротационной вискозиметрии XXXI Симпозиум по реологии, посвященный 60-летию лаборатории реологии полимеров. Сборник материалов., стр. 134-135 (год публикации - 2024)
5. Крупская В.В., Закусин С.В., Морозов И.А., Королева Т.А. The stability of smectite to thermochemical treatment as one of the criteria for selecting bentonites for radioactive waste disposal The Book of Abstracts of the 11th Mid-European Clay Conference, № 75, p. 77 (год публикации - 2024)
6. Морозов И.А., Крупская В.В., Королева Т.А., Покидько Б.В., Закусин С.В. Преобразование бентонитовых глин инженерных барьеров безопасности в модельных условиях Вестник Московского университета. Серия 4. Геология (год публикации - 2025)
7. Морозов И.А., Закусин С.В., Королева Т.А., Крупская В.В. Behavior of engineered barrier system materials in the conditions of Russian deep geological repository The Book of Abstracts of the 11th Mid-European Clay Conference, № 75, p. 81 (год публикации - 2024)
8. Закусин С.В., Покидько Б.В., Морозов И.А., Королева Т.А., Крупская В.В. Comprehensive approach to the analysis of the layer charge distribution in smectites: a case study of the 10th Khutor industrial deposit (Rep. Khakassia) The Book of Abstracts of the 11th Mid-European Clay Conference, № 75, p. 87 (год публикации - 2024)
9. Чепцов В.С., Толпешта И.И., Изосимова Ю.Г., Абрамова Е.С., Сафонов А.В., Закусина А.В., Королева Т.А., Поздняков Л.А., Крупская В.В. Способы подавления микробной активности в бентонитах буферного слоя при захоронении радиоактивных отходов Радиоактивные отходы (год публикации - 2025)
10.
Крупская В.В., Закусин С.В., Чернов М.С.
Transformation of the Geological Environment under the Influence of Liquid Radioactive Waste (Russian Experience in Studying Historical Nuclear Disposal)
MDPI, Minerals, V. 14, № 3 (год публикации - 2024)
10.3390/min14030252
11. Крупская В.В., Закусин С.В., Морозов И.А., Королева Т.А. Technogenic Transformations of Clay Minerals in Processes Related to Radioactive Waste Management Book of Abstracts of the NanoSpace-2024-Thailand (год публикации - 2024)
12. Крупская В.В., Закусин С.В., Доржиева О.В., Белоусов П.Е., Покидько Б.В., Морозов И.А., Зайцева Т.С., Тюпина Е.А., Королева Т.А. On the question of finding relationship between structural features of smectites and adsorption and surface properties of bentonites Minerals (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
Результаты выполнения проекта будут использовании при планировании работ в Подземной исследовательской лаборатории для обоснования безопасности ПГЗРО