Преобразование бентонитовых глин инженерных барьеров безопасности в модельных условиях

Бентонитовые глины широко применяются в различных отраслях промышленности, в том числе при утилизации радиоактивных отходов в качестве компонентов инженерных барьеров безопасности. В работе освещены результаты экспериментов по преобразованию бентонитов в условиях воздействия модельных растворов поровых вод кристаллического массива, а также по взаимодействию с другими компонентами барьеров (сталь, бетон). Проведенные экспериментальные и аналитические работы позволили выявить тенденции преобразований бентонитов, и особенности трансформационных изменений в структуре смектитов при контактных взаимодействиях с материалами инженерных барьеров безопасности (сталь и бетон). Результаты могут быть использованы при обосновании долгосрочной безопасности геологического захоронения радиоактивных отходов на участке недр «Енисейский», Красноярский край.

1. Адрышев А.К., Струнникова Н.А., Даумова Г.К.., Сапаргалиев Е.М. Перспективы использования природных алюмосиликатов Восточного Казахстана // Горный журнал. 2003. № 6. С. 86-88.

2. Белоусов П.Е., Крупская В.В. Бентонитовые глины России и стран ближнего зарубежья // Георесурсы. 2019. Т. 21, № 3. С. 79-90.

3. Белоусов П.Е., Крупская В.В., Закусин С.В., Жигарев В.В. Бентонитовые глины месторождения 10-й Хутор (Руспублика Хакасия): особенности генезиса, состава и адсорбционных свойств // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2017. Т. 18, № 1. С. 135-143.

4. Богатов С.А., Дробышевский Н.И., Крупская В.В. и др. Предварительные оценки параметров инженерных барьеров в концепции ПГЗРО с горизонтальным размещением упаковок РАО в контейнерах с медным покрытием // Радиоактивные отходы. 2023. № 3 (24). С. 77-91.

5. Брилинг И.А., Злочевская Р.И., Волков Ф.Е. и др. Оценка распространения щелочных растворов в глинистых породах // Инженерная геология. 1987. № 2. С. 37-46.

6. 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. 2024. № 3 (28). С. 43-58.

7. Дорофеев А.Н., Большов Л.А., Линге И.И. и др. Стратегический мастер-план исследований в обоснование безопасности сооружения, эксплуатации и закрытия пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов // Радиоактивные отходы. 2017. Т. 1. С. 33-41.

8. Дриц В.А., Коссовская А.Г. Глинистые Минералы: Смектиты, смешаннослойные образования. М.: Наука, 1990. 214 с.

9. Закусин С.В., Крупская В.В., Доржиева О.В. и др. Модификация адсорбционных свойств монтмориллонита при термохимическом воздействии // Сорбционные и хроматографические процессы. 2015. Т. 15, № 6. С. 874-883.

10. Злочевская Р. И. Связанная вода в глинистых грунтах. М.: МГУ, 1969. С. 174.

11. Злочевская Р.И., Волков Ф.Е., Макеева Т.Г. и др. Взаимодействие глинистых и лессовых пород с концентрированными щелочными растворами // Инженерная геология. 1990. № 2. С. 33-51.

12. 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. Т. 9, № 4. С. 71-84.

13. Крупская В.В., Бирюков Д.В., Белоусов П.Е. и др. Применение природных глинистых материалов для повышения уровня ядерной и радиационной безопасности объектов ядерного наследия // Радиоактивные отходы. 2018. Т. 2, № 3. С. 30-43.

14. Крупская В. В., Закусин С.В., Лехов В.А. и др. Изоляционные свойства бентонитовых барьерных систем для захоронения радиоактивных отходов в Нижнеканском массиве // Радиоактивные отходы. 2020. Т. 1, № 10. С. 35-55.

15. Крупская В. В., Тюпина Е.А., Закусин С.В. и др. Обоснование выбора глинистых материалов для разработки инженерных барьеров безопасности при изоляции РАО в ПГЗРО на участке недр «Енисейский» // Радиоактивные отходы. 2023. Т. 23, № 2. С. 98-112.

16. Кулешова М.Л., Данченко Н.Н., Косоруков В.Л. и др. Исследование сорбции-десорбции стронция и цезия на бентонитах разного состава // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2017. № 4. С. 59-66.

17. Кулешова М.Л., Шимко Т.Г., Данченко Н.Н. и др. Природные глинистые грунты как материалы для создания инженерных барьеров безопасности при захоронении радиоактивных отходов // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2023. № 4. С. 143-152.

18. Лаверов Н.П., Дмитриев С.А., Величкин В.И., Омельяненко Б.И. Условия безопасной изоляции жидких отходов низкого и среднего уровней радиоактивности // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2009. № 3. С. 195-213.

19. Мишанькин А.Ю., Чубреев Д.О., Павлюк А.О., Язиков Е.Г. Оценка радиационной стойкости барьерных глинистых материалов // Вестник Забайкальского государственного университета. 2023. Т. 29, № 3. С. 26-34.

20. Методика № 1002/03-RA.RU.311703-2022 «Методика измерения емкости катионного обмена по адсорбции комплекса меди (II) — Cu-TRIEN».

21. Павлов Д.И., Ильина О.А. О системном подходе к выбору барьеров безопасности для захоронения РАО классов 3 и 4 // Радиоактивные отходы. 2020. № 3 (12). С. 54-65.

22. Павлов Д.И., Неуважаев Г.Д., Дёмин А.В. и др. К вопросу выбора способа захоронения низко- и среднеактивных РАО // Радиоактивные отходы. 2024. № 1 (26). С. 69-83.

23. Павлов Д.И., Сорокин В.Т., Баринов А.С. и др. Научно-технические и проектные основы создания конструкций приповерхностных пунктов захоронения низко- и среднеактивных отходов // Радиоактивные отходы. 2021. № 4 (17). С.65—77.

24. Прядко А.В., Закусин С.В., Тюпина Е.А. Влияние кислотного и щелочного воздействия на структуру, сорбционные и поверхностные свойства бентонитов // Успехи в химии и химической технологии. 2020. Т. 34, № 9. С. 17-19.

25. Сапаргалиев Е.М., Кравченко М.М., Доронин В.П., Горденко В.И. Бентонитовые глины и их многопрофильное использование // Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева. 1999. № 2. С. 47-55.

26. Сапаргалиев Е.М., Кравченко М.М. Особенности генезиса Таганского месторождения бентонитов в Зайсанской впадине // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2007. № 3. С. 40-46.

27. Семенкова А.С., Ильина О.А., Крупская В.В. и др. Сорбция радионуклидов на глинистых минералах-компонентах инженерных барьеров безопасности // Вестн. Моск. ун-та. Серия 2. Химия. 2021. Т. 62, № 5. С. 425-434.

28. Семенкова А.С., Полякова Т.Р., Короб Д.К. и др. Сорбция Cs(I) и Np(V) на глинах Острожанского месторождения (Беларусь) // Радиохимия. 2019. Т. 61, № 5. С. 433-438.

29. Сергеев В.И., Степанова Н.Ю., Свиточ Н.А. и др. Возможные пути решения проблемы защиты водных ресурсов при складировании и захоронении радиоактивных и иных токсичных отходов промышленности // Инженерная геология. 2009. Т. 3. С. 30-35.

30. Тарасевич Ю.И., Овчаренко Ф.Д. Адсорбция на глинистых минералах. Киев: Наукова думка, 1975. 352 с.

31. Тучкова А.И., Тюпина Е.А., Рахимов М.Г. Влияние щелочной активации глинистых минералов на их сорбционную способность к извлечению Сs-137 из отработавшего масла // Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26, № 6. С. 92-95.

32. Bauer A., Schild D., Lanson B., et al. The fate of smectite in KOH solutions // Am. Mineral. 2006. Vol. 91, № 8-9. P. 1313-1322.

33. Belousov P., Chupalenkov N., Christidis G., et al. Carboniferous bentonites from 10Th Khutor deposit (Russia): Composition, properties and features of genesis // Appl. Clay Sci. 2021. Vol. 215. № March. P. 106308.

34. Claret F., Bauer A., Schäfer T., et al. Experimental investigation of the interaction of clays with high-pH solutions: A case study from the Callovo-Oxfordian formation, Meuse-Haute Marne underground laboratory (France) // Clays Clay Miner. 2002. Vol. 50. № 5. P. 633-646.

35. Cuevas J., Fernández R., Sánchez L., et al. Reactive diffusion front driven by an alkaline plume in compacted Mg — homoionic bentonite. // Clays in natural & engineered barriers for radioactive waste confinement. Madrid 2007. P. 509-510.

36. Cuevas J., Ruiz A. I., Ortega A., et al. Concrete ageing, concrete/bentonite and concrete/rock interaction analysis. Wettingen: Report NAGRA NAB 16-018, 2017. P. 258.

37. Cuisinier O., Masrouri F., Pelletier M., et al. Microstructure of a compacted soil submitted to an alkaline PLUME // Appl. Clay Sci. 2008. Vol. 40, № 1-4. P. 159-170.

38. Doebelin N., Kleeberg R. Profex: A graphical user interface for the Rietveld refinement program BGMN // J. Appl. Crystallogr. 2015. Vol. 48. P. 1573-1580.

39. Dohrmann, R., Olsson S., Kaufhold S., Sellin P. Mineralogical investigations of the first package of the alternative buffer material test — II. Exchangeable cation population rearrangement // Clay Miner. 2013. Vol. 48, № 2. P. 215-233.

40. Emmerich K. Full Characterization of Smectites.: Elsevier Ltd., 2013. Vol. 2. P. 381-404.

41. Fernández R., Rodriguez M, Vigil de la Villa R., Cuevas J. Geochemical constraints on the stability of zeolites and C-S-H in the high pH reaction of bentonite // Geochim. Cosmochim. Acta. 2010. Vol. 74, № 3. P. 890-906.

42. Fernández R., Ruiz A. I., Cuevas J. The role of smectite composition on the hyperalkaline alteration of bentonite // Appl. Clay Sci. 2014. Vol. 95. P. 83-94.

43. Fernández, A., Kaufhold S., Sánchez-Ledesma D., et al. Evolution of the THC conditions in the FEBEX in situ test after 18 years of experiment: Smectite crystallochemical modifications after interactions of the bentonite with a C-steel heater at 100 °C // Appl. Geochemistry. 2018. Vol. 98. P. 152-171.

44. Fernández A., Marco J., Nieto P., et al. Characterization of Bentonites from the In Situ ABM5 Heater Experiment at Äspö Hard Rock Laboratory, Sweden // Minerals. 2022. Vol. 12, № 4. Р. 471.

45. García Calvo J.L., Hidalgo A.I., Alonso C., Fernández Luco L. Development of low-pH cementitious materials for HLRW repositories: Resistance against ground waters aggression // Cem. Concr. Res. 2010. Vol. 40, № 8. P. 1290-1297.

46. Gu B.X., Wang L.M., Minc L.D., Ewing R.C. Temperature effects on the radiation stability and ion exchange capacity of smectites // Journal of Nuclear Materials. 2001. № 297. С. 345-354.

47. Guggenheim S., Adams J.M., Bain D.C., et al. Summary of recommendations of nomenclature committees relevant to clay mineralogy: Report of the Association Internacionale pour l'Etude des Argiles (AIPEA) nomenclature committee for 2006 // Clays Clay Miner. 2006. Vol. 54, № 6. P. 761-772.

48. Karnland O., Olsson S., Nilsson U., Sellin P. Experimentally determined swelling pressures and geochemical interactions of compacted Wyoming bentonite with highly alkaline solutions // Phys. Chem. Earth. 2007. Vol. 32, № 1-7. P. 275-286.

49. Kaufhold S., Dohrmann R. Stability of bentonites in salt solutions I sodium chloride // Appl. Clay Sci. 2009. Vol. 45, № 3. P. 171-177.

50. Kaufhold S., Dohrmann R. Stability of bentonites in salt solutions. II. Potassium chloride solution — Initial step of illitization? // Appl. Clay Sci. 2010. Vol. 49, № 3. P. 98-107.

51. Kaufhold S., Dohrmann R. Stability of bentonites in salt solutions III — Calcium hydroxide // Appl. Clay Sci. 2011. Vol. 51, № 3. P. 300-307.

52. Kaufhold S., Dohrmann R., Götze N., Svensson D. Characterization of the second parcel of the alternative buffer material (ABM) experiment — I mineralogical reactions // Clays Clay Miner. 2017. Vol. 65, № 1. P. 27-41.

53. Kaufhold S., Dohrmann R., Sandén T., et al. Mineralogical investigations of the first package of the alternative buffer material test — I. Alteration of bentonites // Clay Miner. 2013. Vol. 48, № 2. P. 199-213.

54. Kaufhold S., Dohrmann R., Stucki J.W., Anastácio A.S. Layer Charge Density of Smectites — Closing the Gap Between the Structural Formula Method and the Alkyl Ammonium Method // Clays Clay Miner. 2011. Vol. 59, № 2. P. 200-211.

55. Kaufhold S., Dohrmann R., Ufer K., et al. Mineralogical analysis of bentonite from the abm5 heater experiment at Äspö hard rock laboratory, Sweden // Minerals. 2021. Vol. 11, № 7. P. 1-18.

56. Kaufhold S., Dohrmann R., Ufer K., Kober F. Interactions of bentonite with metal and concrete from the FEBEX experiment: mineralogical and geochemical investigations of selected sampling sites // Clay Miner. 2018. Vol. 53, № 4. P. 745-763.

57. Kaufhold S., Dohrmann R., Wallis I., Weber C. Chemical and mineralogical reactions of bentonites in geotechnical barriers at elevated temperatures — review of experimental evidence and modelling progress // Clay Miner. 2023. P. 1-43.

58. Koroleva T., Krupskaya V., Tyupina E., et al. Impacts of Impurity Removal Chemical Pretreatment Procedures on the Composition and Adsorption Properties of Bentonites // Minerals. 2024. Vol. 14, № 8. P. 1-14.

59. Krupskaya V., Novikova L., Tyupina E., et al. The influence of acid modification on the structure of montmorillonites and surface properties of bentonites // Appl. Clay Sci. 2019. Vol. 172. P. 1-10.

60. Krupskaya V.V., Zakusin S.V., Tyupina E.A., et al. Experimental Study of Montmorillonite Structure and Transformation of Its Properties under Treatment with Inorganic Acid Solutions // Minerals. 2017. Vol. 7, № 4. P. 49.

61. Krupskaya V., Zakusin S., Zakusina O., et al. On the Question of Finding Relationship Between Structural Features of Smectites and Adsorption and Surface Properties of Bentonites // Minerals. 2025. Т. 15, № 1.

62. Madejová J., Gates W.P., Petit S. IR Spectra of Clay Minerals. Cambridge, 2017. P 107-149.

63. Morozov I., Zakusin S., Kozlov P., et al. Bentonite-Concrete Interactions in Engineered Barrier Systems during the Isolation of Radioactive Waste Based on the Results of Short-Term Laboratory Experiments // Appl. Sci. 2022. Vol. 12, № 6. P. 3074.

64. Pusch R., Kärnland O., Lajudie A., Decarreau A. MX 80 clay exposed to high temperatures and gamma radiation. Sweden: Svensk Karnbranslehantering AB, 1992.

65. Savage D., Bateman K., Hill P., et al. Rate and mechanism of the reaction of silicates with cement pore fluids // Appl. Clay Sci. 1992. Vol. 7, № 1-3. P. 33-45.

66. Savage D., Benbow S., Watson C., et al. Natural systems evidence for the alteration of clay under alkaline conditions: An example from Searles Lake, California // Appl. Clay Sci. 2010. Vol. 47, № 1-2. P. 72-81.

67. Savage D., Walker C., Arthur R., et al. Alteration of bentonite by hyperalkaline fluids: A review of the role of secondary minerals // Phys. Chem. Earth. 2007. Vol. 32, № 1-7. P. 287-297.

68. Savage D., Noy D., Mihara M. Modelling the interaction of bentonite with hyperalkaline fluids // Appl. Geochemistry. 2002. Vol. 17, № 3. P. 207-223.

69. Semenkova A., Belousov P., Rzhevskaia A., et al. U(VI) sorption onto natural sorbents // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2020. Т. 326, № 1. P. 293-301.

70. Semenkova A.S., Evsiunina M.V., Verma P.K., et al. Cs+ sorption onto Kutch clays: Influence of competing ions // Applied Clay Science. 2018. Т. 166. P. 88-93.

71. Svensson D. Saponite formation in the ABM2 ironbentonite field experiment at Äspö hard rock laboratory, Sweden. Clays in Natural and Engineered Barriers for Radioactive Waste Confinement, Sixth International Meeting, Program & Abstracts. Agence nationale pour la gestion des dechets radioactifs, Paris, France. 2015. P. 168-169.

72. Svensson D., Dueck A., Nilsson U., et al. Alternative buffer material Status of the ongoing laboratory investigation of reference materials and test package 1. Stockholm: SKB TR-11-06, 2011. 146 p.

73. Timofeeva M.N., Panchenko V.N., Gil A., et al. Effect of structure and acidity of acid modified clay materials on synthesis of octahydro-2H-chromen-4-ol from vanillin and isopulegol // Catalysis Communications. 2015. Т. 69. P. 234-238.

74. Verma P.K., Semenkova A.S., Krupskaya V.V., et al. Eu(III) sorption onto various montmorillonites: Experiments and modeling. // Appl. Clay Sci. 2019. Т. 175. P. 22-29.

75. Wersin P., Jenni A., Mäder U.K. Interaction of corroding iron with bentonite in the ABM1 experiment at ÄSPÖ, Sweden: A microscopic approach // Clays Clay Miner. 2015. Vol. 63, № 1. P. 51-68.