Группой ученых лаборатории радиохимии Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) проведены исследования по изучению сорбции радионуклидов 137Cs (цезий), 239Pu (плутоний) и 237Np (нептуний) на горных породах Нижнеканского массива участка «Енисейский» в условиях, имитирующих среду глубинного захоронения радиоактивных отходов. Получены параметры, характеризующие сорбционные свойства пород по отношению к исследованным радионуклидам в условиях влияния повышенных температур среды.

Кроме того, рассмотрено влияние катионов калия и магния, которые могут присутствовать в растворах при контакте магний-калий-фосфатного компаунда, разработанного в ГЕОХИ РАН для надежной изоляции радиоактивных отходов, с подземной водой. Результаты исследования опубликованы в журнале «Атомная энергия».

Исследование миграции радионуклидов в среде вмещающих пород является ключевым фактором для обоснования безопасности глубинного захоронения радиоактивных отходов. В России в качестве объекта изоляции радиоактивных отходов выбран участок «Енисейский» Нижнеканского массива (Красноярский край). Одним из основных процессов, контролирующих миграцию радионуклидов, является их сорбция минеральными фазами вмещающих пород.

Сорбционные свойства вмещающих пород были изучены на примере природного цельного образца породы с участка «Енисейский», поверхность которого контактировала с растворами, содержащими радионуклиды.

Установлены количественные параметры сорбции 137Cs, 239Pu и 237Np на породах в зависимости от температуры и ионной силы растворов после выщелачивания магний-калий-фосфатного компаунда, разработанного в ГЕОХИ РАН для отверждения радиоактивных отходов разного типа. В работе установлены различия во влиянии катионов К+ и Mg2+ на сорбцию цезия на породе. Показано, что с увеличением температуры эффективность сорбции 239Pu и 237Np на породе увеличивается, тогда как сорбция 137Cs практически не изменяется.

«Полученные результаты имеют важное значение для оценки долгосрочной безопасности глубинного захоронения радиоактивных отходов и разработки мер по минимизации миграции радионуклидов в окружающую среду»,— прокомментировала младший научный сотрудник лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН Анастасия Родионова.

Исследования проведены при финансовой поддержке РНФ.

Анастасия Родионова, научный сотрудник лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН, к.х.н., ответила на вопросы «Ъ-Науки»:

— Какие бывают радиоактивные отходы?

— Радиоактивные отходы бывают разных типов и классифицируются по разным признакам: по физическому (агрегатному) состоянию (твердые, газообразные, жидкие), по удельной активности (высокоактивные, среднеактивные, низкоактивные, очень низкоактивные), по происхождению (отходы ядерной энергетики, отходы медицинской деятельности, отходы научных исследований и отходы военной деятельности) и др. Важно отметить, что радиоактивные отходы представляют собой серьезную опасность для здоровья человека и окружающей среды. Поэтому необходимо соблюдать строгие правила по обращению с ними и обеспечивать их безопасное хранение и захоронение. Особую опасность представляют высокоактивные отходы, содержащие долгоживущие радионуклиды. Они подлежат долговременному глубинному захоронению в глубоких геологических формациях, обычно на глубине в несколько сотен или более метров от поверхности.

— Как осуществляется захоронение радиоактивных отходов?

— К способам захоронения РАО относятся приповерхностное захоронение (захоронение РАО в сооружениях, размещаемых выше поверхности земли, на одном уровне с поверхностью земли или ниже поверхности земли на глубине до 100 м от поверхности земли), глубинное захоронение (захоронение РАО в сооружениях, размещаемых на глубине более 100 м от поверхности земли) и глубинное захоронение жидких РАО (захоронение жидких РАО (ЖРО) в глубокозалегающих пластах-коллекторах на глубине нескольких сотен метров в пределах границ горного отвода путем нагнетания через нагнетательные скважины).

Мировым сообществом признано, что наиболее эффективным способом изоляции радиоактивных отходов, содержащих наиболее долгоживущие радионуклиды с высокой удельной активностью, является их захоронение в глубинные геологические формации. В России, как и в других странах, сейчас пока нет пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов, но работы по его созданию ведутся давно. И сейчас уже начато строительство подземной исследовательской лаборатории, которая необходима для обоснования безопасности будущего пункта захоронения отходов. Предполагается, что отходы будут герметично изолированы от окружающей среды с помощью разных барьеров безопасности, как инженерных (компаунд, содержащий радиоактивные отходы, контейнер, глинистый барьер), так и природных (геологические формации).

— Какие главные требования должны соблюдаться при захоронении радиоактивных отходов?

— К основным требованиям для захоронения радиоактивных отходов относятся безопасная изоляция отходов от биосферы на протяжении длительного времени, которая обеспечивается многоуровневой системой защиты; место захоронения должно быть стабильным и устойчивым к природным катаклизмам, должен быть обеспечен постоянный мониторинг окружающей среды, чтобы убедиться в отсутствии утечек радиоактивных материалов и др.

— Что такое радионуклиды?

— Радионуклиды — это атомы, обладающие избыточной ядерной энергией и способные к радиоактивному распаду. Радионуклиды могут быть природными или искусственными, образующимися в результате проводимых ядерных реакций за счет деятельности человека. Радионуклиды широко применяются в народном хозяйстве, технике, науке и медицине. С их помощью изучают физиологические и биохимические процессы, а также закономерности миграции и обмена химических элементов в окружающей среде, организме животных и человека. В то же время радионуклиды испускают ионизирующее излучение, которое может повреждать клетки живых организмов, поэтому могут представлять опасность.

— Как происходит миграция радионуклидов?

— Миграция радионуклидов — это движение радионуклидов в окружающей среде. Миграция радионуклидов в кристаллических породах (как природный барьер будущего пункта глубинного захоронения отходов) происходит следующим образом: в ограниченной зоне вблизи могильника перенос радионуклидов осуществляется посредством диффузионного механизма с учетом эффектов сорбции и радиоактивного распада. Начиная с некоторого расстояния (оно определяется размерами локальных и региональных нарушений), перенос радионуклидов происходит с потоком подземной воды по трещинам. На этом этапе основными механизмами переноса являются адвекция и дисперсия, включающая молекулярную диффузию и механическую дисперсию. Количество радионуклидов, которые мигрируют в биосферу, зависит от расстояния от хранилища, доминирующего механизма переноса и взаимодействия растворенных радионуклидов с минералами, присутствующими во вмещающей породе, и инженерными барьерными системами. Одним из главных механизмов миграции, отвечающим за удерживание радионуклидов, является их сорбция минералами кристаллических пород.

— Как можно минимизировать миграцию радионуклидов в окружающую среду? Как повышение или понижение сорбции влияет на это?

— Для минимизации миграции радионуклидов в окружающую среду в геологических формациях предполагается использовать мультибарьерную систему защиты, которая будет препятствовать распространению радионуклидов в окружающую среду, в которую входят материалы, обладающие высокими сорбционными свойствами (глинистые минералы, минералы кристаллических пород). Предполагается, что высокая сорбция радионуклидов минералами пород и глинистыми барьерами безопасности будет минимизировать их миграцию в окружающую среду.

— Какие расчеты проводятся при оценке безопасности захоронения радиоактивных отходов?

— При оценке безопасности радиоактивных отходов проводятся комплексные расчеты, которые учитывают множество факторов, влияющих на миграцию радионуклидов и их воздействие на окружающую среду и человека. Основные типы расчетов: расчеты миграции радионуклидов, расчеты дозовых нагрузок, расчеты тепловыделения высокоактивных отходов, расчеты долговечности материалов барьеров безопасности и др.