Бентонітові глини Черкаського родовища як компоненти ізоляційних бар’єрів приповерхневих сховищ радіоактивних відходів

Б.Г. Шабалін¹, К.К. Ярошенко^{1, 2}, Н.Б. Міцюк¹

¹ ДУ «Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України», вул. Палладіна, 34a, Київ, 03142, Україна
² Інститут геологічних наук НАН України, вул. Олеся Гончара, 55б, Київ, 01054, Україна

DOI: doi.org/10.31717/2311-8253.25.2.6

Анотація

Наведено узагальнені результати літературних і власних експериментальних досліджень фізико-хімічних властивостей бентонітових глин для оцінки можливості їхнього використання як компонентів ізоляційних бар’єрів у сховищах захоронення радіоактивних відходів у комплексі виробництв «Вектор». Об’єктом дослідження обрані бентонітові глини Черкаського родовища бентонітових та палигорськітових глин із легкодоступними запасами та можливістю поліпшення техніко-функціональних показників глин. До основних фізико-хімічних характеристик, що визначають техніко-функціональні властивості глинистих бар’єрних матеріалів, віднесено: гранулометричний, мінеральний та хімічний склад; насипну щільність, колоїдальність, вологоємність, питому поверхню; стійкість під час взаємодії із техногенною системою; фільтраційні властивості під навантаженням (компресією); сорбційні властивості. Водночас головна увага має бути приділена сорбційним і фільтраційним властивостям. У сорбційних експериментах спостерігається високий ступінь вилучення радіонуклідів стронцію та цезію з модельних розчинів ґрунтових вод комплексу виробництв «Вектор». Ступінь сорбції 137Cs зі слаболужних (рН = 7,4) і малосольових розчинів (з концентрацією Са2+ до 16 мг/дм3 ) становить більше 96−99 % для природного бентоніту. Зі збільшенням концентрацій катіонів Са2+ з 160 до 900 мг/дм3 і рН з 7,4 до 11,8 одиниць ступінь сорбції 137Cs зменшується до 80−86 %. При цьому максимальний коефіцієнт розподілу 137Cs за цих умов дорівнює 4,8 ∙ 103 мл/г. Ступінь сорбції 90Sr зі слаболужних (рН = 7,4) і малосольових розчинів становить близько 85 %, а максимальний коефіцієнт розподілу дорівнює 0,7 ∙ 103 мл/г. Зі збільшенням часу взаємодії бентоніту з водними модельними розчинами відбувається перерозподіл рухомої (обмінної) і нерухомої (необмінної) форм радіонуклідів 137Cs і 90Sr, водночас частка останньої, яка не бере участі у процесах міграції, збільшується. Значення коефіцієнта фільтрації суміші бентоніт-пісок (масове співвідношення 1:4, щільність 1,92г/см3 ) залежить від гідравлічного градієнта і становить у середньому 2,2 ∙ 1010 м/с при градієнті понад 10; тоді як під час гідравлічних градієнтів менше 10 коефіцієнт фільтрації різко зменшується і знижується до нуля при градієнті менше1.

Ключові слова: бентоніт, Черкаське родовище, ізоляційні властивості, цезій, стронцій

Список використаної літератури

1. Major releases of radionuclides to the environment. ICRU Report 92 // Journal of the ICRU. – 2015. – Vol. 15, no. 1−2. – doi.org/10.1093/jicru_ndy010.

2. Проєкт Закону України від 23.12.2024 № 12356 «Про Загальнодержавну цільову екологічну програму поводження з радіоактивними відходами». – Київ, 2024. – Режим доступу:  https://itd.rada.gov.ua/billinfo/Bills/Card/55509.

3. НП 306.4.223-2020. Вимоги до структури та змісту звіту з аналізу безпеки поверхневих та приповерхневих сховищ для захоронення радіоактивних відходів. Затвердж. наказом Держатомрегулювання від 02.12.2019, № 520; МЮУ від 21.01.2020, № 64/34347; НАЕК від 25.02.2020. – 184 с. – Режим доступу: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z0064-20#Text.

4. НП 306.4.149-2008. Вимоги до вибору майданчиків для розміщення сховища для захоронення радіоактивних відходів. Затвердж. наказом Держатомрегулювання від 14.11.2008, № 188, зареєстровано у Міністерстві юстиції від 08.12.2008, № 1166/15857. – Режим доступу: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z1166-08#Text.

5. Pusch R. Interaction of cement and smectitic clay – Theory and practice / R. Pusch, H. Zwahr, R. Gerbe, J. Schomburg // Applied Clay Science. – 2003. – Vol. 23. – P. 203210. – doi.org/10.1016/S 0169-1317(03)00104-2.

6. Natural systems evidence for the alteration of clay under alkaline conditions: An example from Searles Lake, California / D. Savage, S. Benbow, C. Watson [et al.] // Applied Clay Science. – 2010. – Vol. 47. – P. 72−81. – doi.org/10.1016/j.clay.2009.08.024.

7. 4th Natural Analogue Working Group Workshop (NAWG14). Abstract Book. – Olkiluoto, Finland. – 2015. – 169 p.

8. Чистогалівське родовище. Спеціальний дозвіл на користування надрами від 29.08.2018, № 6278 / Державна служба геології та надр України. – 10 с.

9. Coyle A. Waste acceptance policy and operational developments at the UK’s Drigg LLW disposal site / A. Coyle, P.D. Grimwood, W.J. Paul // IAEA: International symposium on experience in the planning and operation of low level waste disposal facilities. – IAEA. – 1997. – P. 339−349. – Available at: https://inis.iaea.org/records/v7bjz-ebw50.

10. Sellin P. The use of clay as an engineered barrier in radioactive-waste management – A Review / P. Sellin, O. X. Leupin // Clays and Clay Minerals. – 2014. – Vol. 61 (6). – P. 477−498.

11. Dohrmanna R. The Role of Clays for Safe Storage of Nuclear Waste / R. Dohrmanna, S. Kaufholda, B. Lundqvist // Handbook of Clay Science. – 2013. – Vol. 5, Chap. 5.4. – P. 677−710.

12. Wilson M.J. Rock-forming minerals. Sheet Silicates / M.J. Wilson // Clays Minerals. – London : The Geological Society, 2013. – 724 p.

13. Mollins L. H. Predicting the properties of bentonitesand mixtures / L. H. Mollins, D. I. Stewart, T.W. Cousens // Clay Minerals. – 1996. – № 31 (2). – P. 243-252. − doi.org/10.1180/claymin.1996.031.2.10.

14. Звіт з оцінки впливу на довкілля з видобування та переробки основної корисної копалини – бентонітових глин як нерудної сировини для металургії (формування та грудкування рудних онцентратів), в якості супутніх корисних копалин – палигорськітових і палигорськіт-монтморилонітових глин як сировини для виробництва бурових розчинів (Черкаська обл., Лисянський район, с. Дашуківка, північна околиця). Черкаси, 2019. – 337 с.

15. Bergaya F. Handbook of Clay Science / F. Bergaya, G. Lagaly // Developments in Clay Science 5A. Elsevier. – 2013. – 813 p.

16. Мінеральні ресурси України. Глини бентонітові. – Київ : Державне науково-виробниче підприємство «Державний інформаційний геологічний фонд України». – 2020. – С. 132−134.

17. Перспективи використання природних смектитових глин України для створення геологічного сховища радіоактивних відходів / Б. Г. Шабалін, О. М. Лавриненко, П. О. Косоруков, С. П. Бугера // Мінералогічний журнал. – 2018. – Т. 40, № 4. – С. 65−78. – doi.org/10.15407/mineraljournal.40.04.065.

18. Surface geochemistry of the clay minerals / G. Sposito, N. T. Skipper, R. Sutton [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. – U.S.A., 1999. – Vol. 96 (7). – P. 3358−3364.

19. Bleam W. F. The nature of cation-substitution sites in phyllosilicates // Clay Minerals. – 1990. – Vol. 38, no. 5. – P. 527−536. – doi.org/10.1073/pnas.96.7.3358.

20. Mineralogical-geochemical properties of bentonite clays of the Cherkasy Deposit to increase the environmental safety of radwaste disposal at the Vektor Storage Complex / B. Shabalin, K. Yaroshenko, S. Buhera, N. Mitsiuk // Systems, Decision and Control in Energy III. Studies in Systems, Decision and Control / A. Zaporozhets (ed). – 2022. – Vol. 399. – P. 203−220. – doi.org/10.1007/978-3–030-87675–3_12.

21. Effect of the surface hydration of clay minerals on the adsorption of cesium and strontium from dilute solutions / Y. Zabulonov, V. Kadoshnikov, H. Zadvernyuk, T. Melnychenko, V. Molochko // Adsorpton. – Springer. – 2020. – Vol. 27. – P. 41−48. – doi.org/10.1007/s10450-020- 00263-y.

22. Андрєєва О. Порівняльний аналіз мінерального складу бентонітових глин черкаського бентонітоносного району / О. Андрєєва, В. Шунько, О. Гречановська // Вісник Київського національного
університету імені Тараса Шевченка. Геологія. – 2016. – № 2 (73). – C. 13–19.

23. Петрушка І.М. Характеристика розподілу діаметра пор природних і модифікованих сорбентів / І.М. Петрушка, О.Д. Тарасович, К.І. Петрушка // Науковий вісник НЛТУ України. – Вип. 23 (7). – С. 102–106.

24. Куковский Е.Г. Особенности кристаллического строения и физико-химические свойства глинистых минералов: монография / Е.Г. Куковский. – Киев : Наукова думка, 1967. – 104 с.

25. Неймарк И. Е. Поры в твердых телах и их значение в технологических процесах / И.Е. Неймарк. – Москва : Знание, 1984. – 64 с.

26. Pashley R.M. Molecular layering of water in thin films between mica surfaces and its relation to hydration forces / R.M. Pashley, J.N. Israelachvili // Journal of Colloid and Interface Science. – 1984. – Vol. 101, no. 2. – С. 511−523.

27. Гольдберг В.М. Проницаемость и фильтрация в глинах / В.М. Гольдберг, Н.П. Скворцов. – Москва : Недра, 1986. – 160 с. – Режим доступа: https://libarch.nmu.org.ua/handle/GenofondUA/69721?locale-attribute=es.

28. Шабалін Б. Г. Захоронення короткоіснуючих низько- і середньоактивних відходів: практика світового досвіду / Б. Г. Шабалін, О. М. Лавриненко, Н.Б. Міцюк // Вісник НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського». Серія: Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. – 2023. – № 1 (22). – С. 75−87. – doi.org/10.20535/2617-9741.1.2023.276449.

29. Черкаський бентоніт як компонент ізоляційних бар’єрів сховищ радіоактивних відходів: фільтраційні властивості / Б.Г. Шабалін, Г.О. Холомєєв, Є.О. Світличний, С.Ю. Саєнко // Ядерна та радіаційна безпека. – 2025. – № 2 (106). – C. 3339. − doi.org/10.32918/nrs.2025.2(106).03.

30. Тарасевич Ю. И. Строение и химия поверхности слоистых силикатов / Ю.И. Тарасевич, Ф.Д. Овчаренко. – Київ : Наукова думка, 1988. – 248 с.

31. Критерии приемки радиоактивных отходов на захоронение в специально оборудованном приповерхностном хранилище твердых радиоактивных отходов (СОПХТРО). Первый этап эксплуатации СОПХТРО. Прием РАО от ЗПЖРО и ЗПТРО ГСП ЧАЭС для захоронения в два симметричных отсека СОПХТРО. – 2009.

32. Evolution of bentonites in the presence of Ca2+ ions in a contact solution and sorption capacity of bentonites for 137Cs and 90Sr / B. Shabalin, K. Yaroshenko, O. Lavrynenko, N. Mitsiuk // Мінералогічний журнал. – 2024. – Вип. 46 (3). – С. 3−15. – doi.org/10.15407/mineraljournal.46.03.003.

33. Шабалін Б.Г. Дослідження ізоляційних властивостей глин Черкаського родовища для створення підстилаючих екранів сховищ РАВ на майданчику «Вектор» / Б.Г. Шабалін, О.М. Лавриненко, К.К. Ярошенко // Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Серія: Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. – 2021. – № 2 (20). – С. 71–81. – doi.org/10.20535/2617-9741.2.2021.23587

Повний текст (PDF)

---