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.