Основні типи і фізико-хімічні особливості гірських порід для поховання ядерних відходів.

Міжнародні дослідження в нашій країні і за кордоном показали, що вмістищами РАВ можуть служити три типи гірських порід глини (алювій), скельні породи (граніт, базальт, порфіріт), кам'яна сіль. Всі ці породи в геологічних формаціях мають широке поширення, достатню площу і потужність шарів або магматичних тіл.  Кам'яна сіль.  Шари кам'яної солі можуть служити об'єктом для будівництва глибинних пунктів захоронення навіть високоактивних РАВ та РАВ з довгоживучими радіонуклідами. Особливістю соляних масивів є відсутність в них мігруючих вод (інакше масив не міг би існувати 200-400 млн років), майже немає включень рідини або газоутворюючих домішок, вони пластичні, і порушення структури в них можуть самозалечивающихся, мають високу теплопровідність, так що в них можна поміщати РАВ більш високої активності, ніж в інші породи. Крім того, створення в кам'яній солі гірських виробок, відносно легко і недорого. При цьому в даний час, в багатьох країнах вже існують десятки і сотні кілометрів таких виробок. Тому, для невпорядкованого складування будь-яких відходів можуть бути використані порожнини середнього та великого об'єму (10 - 300 тис. м³⁾ у пластах кам'яної солі, створені в основному розмивом або ядерними вибухами. При зберіганні відходів низької та середньої активності температура біля стінки порожнини не повинна перевищувати геотермальну більш ніж на 50 °, так як при цьому не будуть відбуватися випаровування води і розкладання мінералів. Навпаки, виділення тепла високоактивними відходами призводить до плавлення солі і застиганню розплаву, що фіксує радіонукліди. Для поховання всіх видів РАВ в кам'яній солі можна використовувати не дуже глибокі шахти і штольні, при цьому середньо-і низькоактивні відходи в підземні камери можна засипати навалом або складати в бочках або каністрах. Однак, в кам'яній солі в присутності вологи корозія металевих контейнерів йде досить інтенсивно, що ускладнює застосування технічних бар'єрів при похованні РАВ на тривалий термін у соляних масивах.  Перевагою солей є висока теплопровідність, у зв'язку з чим при інших рівних умовах температура в соляних могильниках буде нижче, ніж у сховищах, розташованих в іншому середовищі.  Недоліком солей є їх відносно висока плинність, яка ще більше зростає у зв'язку з тепловиділенням ВАО. З плином часу підземні виробки заповнюються сіллю. Тому відходи стають недоступними, а їх вилучення для переробки або перепоховання важко здійсненним. Разом з тим переробка та практичне використання ВАО в перспективі може виявитися економічно ефективним. Особливо це стосується відпрацьованого ядерного палива, що містить значну кількість урану і плутонію.  Присутність в солях глинистих шарів різної потужності різко обмежує міграцію радіонуклідів за межі природних бар'єрів. Як показали спеціально проведені дослідження глинисті мінерали в цих породах утворюють тонкі горизонтальні шари або розташовуються у вигляді дрібних лінз і оторочек на межах зерен галита. Наведений в контакт з породою розсіл з Cs за 4 місяці проникав у глиб зразка тільки до найближчого глинистого шару. При цьому, міграцію радіонуклідів ускладнюють не тільки чітко виражені шари глин, по і менш контрастні виділення глинистих оторочек навколо окремих зерен галита. [4]  Таким чином, природна природна композиція галіт-глини має кращі ізоляційні і екрануючими властивостями в порівнянні з чистими галітовимі породами або галітом з домішкою ангідриту. Поряд з властивістю фізичного гідроізолюючого бар'єру, глинисті мінерали мають високі сорбційні властивості. Отже, у разі розгерметизації сховища і попадання в нього пластових вод галіт-глиниста формація обмежить і утримає міграціонноспособние форми основних похованих радіонуклідів. Крім того, залишається на дні ємності після розмиву глина є додатковим сорбційним бар'єром, який здатний утримати в межах сховища цезій і кобальт у разі їх переходу в рідку фазу (аварійна ситуація). [4]  Глини.  Глини більш придатні для влаштування приповерхневих сховищ або пунктів захоронення НАО і САО з порівняно короткоживучими радіонуклідами. Проте, в деяких країнах планується розміщення в них і ВАО. Перевагами глин є низька водопроникність і висока сорбційна ємність у відношенні радіонуклідів. Недоліком є ​​висока вартість проходки гірських виробок у зв'язку з необхідністю їх кріплення, а також знижена теплопровідність. При температурі вище 100 ° С починається дегідратація глинистих мінералів з втратою сорбирующих властивостей і пластичності, утворенням тріщин і іншими негативними наслідками. [1]  Скельні гірські породи.  Цим терміном охоплюється широкий спектр порід, цілком складаються з кристалів. Сюди відносять всі повнокристалічна вивержені породи, кристалічні сланці і гнейси, а також скловати вулканічні породи. Хоча солі або мармури є повнокристалічна породами, в це поняття їх не включають.  Перевагою кристалічних порід є їх висока міцність, стійкість до впливу помірних температур, підвищена теплопровідність. Гірничі виробки у кристалічних породах можуть зберігати свою стійкість протягом практично необмеженого часу. Підземні води в кристалічних породах зазвичай мають низьку концентрацію солей, слабощелочной відновлювальний характер, що в цілому відповідає умовам мінімальної розчинності радіонуклідів. При виборі місця в кристалічному масиві для розміщення ВАО використовуються блоки з найбільш високими характеристиками міцності порід і низькою тріщинуватістю.  Фізико-хімічні процеси, що відбуваються в системі ВАО - гірська порода - підземні води, можуть сприяти як підвищення, так і зниженню надійності могильника. Розміщення ВАО в підземних гірничих виробках викликає прогрів вміщуючих порід з порушенням фізико-хімічної рівноваги. У результаті поблизу контейнерів з ВАО починається циркуляція нагрітих розчинів, що призводить до мінералоутворення в навколишньому просторі. В якості сприятливих можна вважати такі породи, які в результаті взаємодії з нагрітими тріщинами водами будуть знижувати свою водопроникність і підвищувати сорбційні властивості.  Найбільш сприятливими для могильників є породи, в яких реакції мінералоутворення супроводжуються закупоркою тріщин і пор Термодинамічнірозрахунки і природні спостереження показують, що чим вище основність порід, тим більшою мірою вони відповідають зазначеним вимогам. Так, гідратація дуніт супроводжується збільшенням обсягу новоутворених фаз на 47%, габро-16, діориту-8, гранодіорити-1%, а гідратація гранітів взагалі не призводить до самозаліку тріщин. У межах значень температур, що відповідають умовам могильника, реакції гідратації будуть протікати з утворенням таких мінералів, як хлорит, серпентин, тальк, гідрослюди, монтморилоніт, різноманітні смешанослойние фази. Характеризуючись високими сорбційними властивостями, ці мінерали перешкоджатимуть поширенню радіонуклідів за межі могильника.  Таким чином, ізоляційні властивості порід підвищеної основності під впливом ВАО будуть зростати, що дозволяє розглядати ці породи як переважні для будівництва могильника. До них можна віднести перідотіти, габро, базальти, кристалічні сланці підвищеної основності, амфіболіти та ін  Деякі фізико-хімічні властивості гірських порід та мінералів, важливі для захоронення РАВ.  Вивчення радіаційної та термічна стійкості гірських порід та мінералів показало, що взаємодія випромінювання з гірською породою супроводжується послабленням потоку випромінювання і появою радіаційних дефектів у структурі, що приводить до накопичення енергії в опроміненому матеріалі, локального підвищення температури. Ці процеси можуть змінити первісні властивості вміщуючих відходи порід, обумовлювати фазові переходи, приводити до газоутворення і впливати на цілісність стінок сховища.  Для кислих алюмосилікатних порід, що містять кварц і польові шпати в межах поглинених доз 10 ⁶ -10 ⁸ Гр мінерали не змінюють своєї структури. Для аморфізації поверхні алюмосилікатів і її оплавлення потрібні радіаційні навантаження: дози до ¹⁰ грудня Гр і одночасне термічний вплив 673 К. При цьому відбувається часткова втрата щільності матеріалів та розупорядкування в розташуванні алюмінію в кремнекислородних тетраедрах. При опроміненні глинистих мінералів на їх поверхні з'являється сорбированная вода. Тому для глинистих порід велике значення при опроміненні має радіоліз води як на зовнішній поверхні, так і в межслоевое проміжках.  Однак, радіаційні ефекти при похованні навіть високоактивних відходів мають, мабуть, не настільки велике значення, тому що навіть γ-випромінювання в основному поглинається в матриці РАВ, і лише невелика його частка проникає в навколишнє породу на відстань близько метра. Вплив випромінювання послаблюється і тим, що в цих же межах має місце найбільша термічний вплив, що викликає «отжиг» радіаційних дефектів.  При використанні алюмосилікатних порід для розміщення сховища відходів позитивно виявляються їх сорбційні властивості, зростаючі під дією іонізуючого випромінювання.  У Європі та Канаді при плануванні сховищ передбачена гранична температура в 100 ° С і навіть нижче, у США цей показник дорівнює 250 ° С. Деякі автори вважають, що недоцільно допускати підйом температури сховища вище 303 ^0, оскільки видалення сорбірованноі поди може призвести до порушення цілісності порід, появі тріщин і т.д. Проте інші вважають, що для виключення поверхневого накопичення плівок води найбільш раціональної в сховище слід вважати температуру не нижче 313-323 ⁰ К. тому що при цьому буде оптимальним радіаційне газоутворення з виділенням водню.  Оскільки, в будь-якій геологічній породі присутній сорбированная вода, саме вона виступає в якості першого витравлюють агента. Будь-яка глиниста порода містить значну кількість води (до 12%), яка в умовах підвищених температур, характерних для могильників радіоактивних відходів, буде виділятися в окрему фазу і виступати в якості першого витравлюють агента. Таким чином, створення глинистих бар'єрів в могильниках спричинить за собою процеси вилуговування при будь-якому варіанті експлуатації, включаючи умовно сухою. [1]