Сорбционные свойства связных горных пород при изоляции могильников радиоактивных отходов (РАО)

Халиков Р.Р.

СЕМИНАР 6

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________

Р.Р. Халиков, студ., МГГУ

СОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА СВЯЗНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ИЗОЛЯЦИИ МОГИЛЬНИКОВ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ (РАО)

В ВЕДЕНИЕ. Радиоактивные изотопы стронция (91^г) и цезия (13^) являются распространенными, долгоживущими и опасными (токсичными) элементами в отходах радиохимических заводов. Они часто преобладают среди продуктов радиоактивного заражения территорий. Специфическая особенность 9^г и 137Cs - их высокая миграционная способность. Кроме того, они характеризуются высокими радиоактивностью и тепловыделением. Требования по допустимому содержанию Sr и Cs в воде, по сравнению с другими радионуклидами, наиболее жесткие: так, предельно допустимая концентрация (ПДК) 9^г составляет всего 2*10-12 г/л, а 137Cs -2*10-10 г/л. [2]. Вследствие этого подбор материалов, эффективно сорбирующих стронций и цезий, является одной из главных задач при выборе способа захоронения РАО. Изучение распределения урана в глинистых породах показывает, что уран в них сорбирован не глинистыми минералами, а поверхностью частиц оксигидрокси-дов Fe, А1, №. Известно, что одним из наиболее богатых оксигидрокси-дами материалов являются монтмориллонит, вермикулит.

Достаточная сорбционная емкость, высокая радиационная устойчивость, большая селективность, набухаемость, относительная дешевизна и другие свойства монтмориллонита и вермикулита делают их перспективными для решения проблем, связанных с захоронением РАО.

Сорбционные свойства. Основными характеристиками сорбционной способности глинистых минералов (вермикулит, монтмориллонит) является катионнооб-

менная емкость (КОЕ) и коэффициент распределения к^ КОЕ определяет, какое количество (мг-экв) катионов может поглотить 1 г исследуемого образца. Коэффици-ет распределения представляет собой отношение концентрации радионуклида в грунте к равновесному удельному содержанию его в растворе, находящемся в соприкосновении с образцом.

В табл. 1 приведены характеристики сорбционной способности глинистых минералов относительно Cs137 и Sr90 [3].

Способность глинистых минералов к катионному обмену вызывается двумя причинами [1]:

1. Разрушенные связи по краям кремнезем-глиноземных структурных единиц будут давать свободные заряды, которые должны быть сбалансированы адсорбированными катионами. Количество нарушенных связей, а следовательно, и величина обменной способности в этом случае возрастают по мере уменьшения размера частиц. У монтмориллонитов и вермикулитов только относительно небольшая доля (20%) обменной способности определяется нарушенными связями. Обменные катионы располагаются по краям чашуек или вытянутых частиц.

2. Замещения в кристаллической решетке некоторых глини-

стых минералов четырехвалентного кремния в тетраэдрическом слое трехвалентным алюминием и замещения ионами более низкой валентности, например трехвалентного алюминия двухвалентным магнием в октаэдрическом слое, вызывают появление несбалансированных зарядов. У монтмориллонита и вермикулита с замещениями в кристаллической решетке связано около 80% их суммарной емкости катионного обмена. Обменные катионы располагаются главным образом на поверхности базальных плоскостей.

Согласно вышесказанному можно сделать вывод: ионооб-

менные свойства вермикулита и монтмо-

риллонита позволяют удерживать в своей структуре такие радионуклиды, как цезий-137 и стронций-90, в основном за счет замещений в кристаллической решетке.

Набухание. Натриевый монтмориллонит - эффективная компонента одного из строительных барьеров, которым следует окружить окончательные места захоронения радиоактивных отходов

(РАО). Этот материал, помимо

высокой сорбционной емкости, обладает достаточно большой способностью к набуханию. Это одно из основных свойств, которое требуется, согласно концепции МАГАТЭ, при возведении инженерных барьеров.

Набухание глинистых пород обусловлено двумя причинами: 1) релаксацией эффективного сжимающего напряжения вследствие увеличения капиллярных пленок и 2) осмотическим поглощением во-

Таблица

Характеристики сорбционной способности глинистых минералов

Минерал КОЕ, Q„ Мэкв/г Коэффициент распределения kd см3/г

Sr90 Cs137

Вермикулит 1.7 23 200

Монтмориллонит 1.5 27 250

ды глинистыми минералами с разбухающей кристаллической решеткой. Высокая способность монтмориллонитовых глин к набуханию обусловлены тем, что в монтмориллонитах вода адсорбируется между отдельными силикатными слоями. Натриевый монтмориллонит вследствие своей способности к адсорбции очень мощных слоев воды на всех силикатных слоях обладает наибольшей способностью к набуханию, что действительно имеет место. Например, при вертикальном давлении 0.58 кПА величина набухания образца натриевого монтмориллонита, заключенного в стакане, составила 66% после 33дневного насыщения водой, и при окончании эксперимента набухание, очевидно, еще продолжалось.

В настоящее время предполагается использовать данный глинистый минерал в качестве буферного материала при возведении инженерного барьера в скважинах-могильниках глубокого заложения (до 4000м от поверхности). Задача на сегодняшний день заключается в том, чтобы нагнетать глинистый раствор в скважину под давлением, в результате чего должен происходить отжим воды в стенки трещин и пустот. После чего осуществляют подачу контейнеров с РАО и установку пробок из уплотненного бентонита.

Данный процесс возведения инженерных барьеров имеет ряд недостатков:

♦ при бурении скважины предполагается использовать обсадные трубы в качестве временного крепления, направляющих для става и контейнеров, в результате чего не будет происходить взаимодействия между глинистым раствором и стенками скважин, что нежелательно;

♦ до момента подачи глинистого раствора в скважине присутствует вода из-за поступления грунтовых вод в процессе бурения;

♦ свойство набухания используется не в полной мере, т.к. глинистый минерал уже взаимодействовал с водой при приготовлении глинистого раствора;

♦ достаточно большой объем работ из-за того, что вначале заполняют скважину глинистым раствором, затем осуществляют подачу контейнеров и пробок.

Для решения данных вопросов предлагается использовать:

♦ плотную натриевую бентонитовую глину в виде блоков (цилиндрической формы) высокоуплотненной гранулированной бентонитовой пыли. При плотности буфера п=1.65 г/см3 эталонный буферный материал обладает следующими свойствами: гидравлическая проводимость 10-12 м/сек; проницаемость радионуклидов 1011 до 10-13 м2/сек; давление набухания 1000 до 2500 кПа; термическая проводимость 0.8 до 2 ватт;

♦ перфорированный контейнер (с отверстиями), в который помещают контейнер с отходами и блоки из прессованного бентонита;

♦ перфорированные обсадные трубы.

Результат применения вышеуказанных 3 п. для решения проблем, связанных с возведением инженерных барьеров, находится на стадии подготовки и будет изложен при защите магистерской диссертации в МГГУ в июле 1998 года.

ВЫВОДЫ. 1) Достаточная высокая сорбционная емкость монтмориллонита и вермикулита делают их перспективными для решения проблем окончательной изоляции РАО;

2) Увеличение объема натриевого монтмориллонита (100250%), в результате взаимодействия его с водой, должно использоваться в полной мере, что поможет в решении многих проблем, связанных с возведением инженерных барьеров в скважинах-могильниках глубокого заложения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грим Р.Э. Минералогия и практическое использование глин. М.: МИР, 1967.

2. Рыжов Б.И., Богатырев Б.А., Шикина Н.Д. Сорбция стронция и цезия шламами и возможное использование их при захоронении РАО. Геоэкология: инженерная геология, гидрогеология, геокриология. N 4, 1996. с. 50.

3. Г. Чоппин, Я. Ридберг. Ядерная химия. М.: Энергоатомиздат,

1984.

179

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Халиков Р. Р.

Текст научной работы на тему «Сорбционные свойства связных горных пород при изоляции могильников радиоактивных отходов (РАО)»