vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2024-69-3-233-243vestift-854Research ArticleДИАГНОСТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИСТЕМDIAGNOSTICS AND SAFETY OF TECHNICAL AND ENVIRONMENT SYSTEMSВлияние минерализованного раствора на защитные свойства глин при изоляции радиоактивных отходовEffect of mineralized solution on protective properties of clays in radioactive waste isolationМаковскаяН. А.MakovskayaN. A.

Маковская Наталья Александровна – кандидат биологических наук, доцент, заведующий лабораторией радиохимических исследований природных сред и экспертизы радиоактивных материалов

а/я 119, 220109, Минск

Natalia A. Makovskaya – Cand. Sci. (Biology), Associate Professor, Head of the Laboratory for Radiochemical Research of Natural Environments and Examination of Radioactive Materials

PO Box 119, 220109, Minsk

nata.mak@sosny.bas-net.byЛеонтьеваТ. Г.LeontievaT. G.

Леонтьева Татьяна Геннадьевна – старший научный сотрудник лаборатории радиохимических исследований природных сред и экспертизы радиоактивных материалов

а/я 119, 220109, Минск

Tatiana G. Leontieva – Senior Researcher, Laboratory for Radiochemical Research of Natural Environments and Examination of Radioactive Materials

PO Box 119, 220109, Minsk

leontieva@sosny.bas-net.byБаклайА. А.BaklayA. A.

Баклай Анатолий Анатольевич – старший научный сотрудник лаборатории радиохимических исследований природных сред и экспертизы радиоактивных материалов

а/я 119, 220109, Минск

Anatoly A. Baklay – Senior Researcher, Laboratory for Radiochemical Research of Natural Environments and Examination of Radioactive Materials

PO Box 119, 220109, Minsk

a.baklay@tut.byКузьмукД. А.KuzmukD. A.

Кузьмук Дарья Алексеевна – младший научный сотрудник лаборатории радиохимических исследований природных сред и экспертизы радиоактивных материалов

а/я 119, 220109, Минск

Darya A. Kuzmuk – Junior Researcher, Laboratory for Radiochemical Research of Natural Environments and Examination of Radioactive Materials

PO Box 119, 220109, Minsk

kuzmuk@sosny.bas-net.byОбъединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны Национальной академии наук БеларусиJoint Institute for Power and Nuclear Research – Sosny of the National of the Academy of Sciences of Belarus202407102024693233243Copyright © Маковская Н.А., Леонтьева Т.Г., Баклай А.А., Кузьмук Д.А., 20242024Маковская Н.А., Леонтьева Т.Г., Баклай А.А., Кузьмук Д.А.Makovskaya N.A., Leontieva T.G., Baklay A.A., Kuzmuk D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/854

Изучены минеральный состав, сорбционные и фильтрационные свойства образцов природных глин месторождений «Городное» Брестской области и «Марковское» Гомельской области. Установлено, что глинистый минерал монтмориллонит, входящий в состав глин, имеет в своей структуре иллитовую фазу, содержание которой в исследуемых образцах глин составляет 4,8 мас.% (месторождение «Городное») и 3,6 мас.% (месторождение «Марковское»). Показано, что иллитовая фаза в структуре монтмориллонита содержит высокоселективные центры сорбции 137Cs. Сорбция 85Sr в основном осуществляется на монтмориллоните. Установлено, что минерализованный раствор, моделирующий химический состав поровой влаги в случае проникновения воды и последовательного прохождения через слои бетон – Na-бентонит – бетон пункта захоронения радиоактивных отходов не влияет на сорбцию 137Cs, но оказывает значительное влияние на сорбцию 85Sr. Коэффициент распределения (Kd ) 137Cs для исследованных образцов глин из модельного минерализованного раствора составляет более 103 дм3 /кг, что свидетельствует о высоких сорбционных свойствах данных глин по отношению к 137Cs. Значения Kd 85Sr для образцов глин при сорбции из модельного минерализованного раствора в 30 раз ниже Kd 137Cs, что связано в основном с конкуренцией ионов стронция и кальция. Установлено, что значения коэффициентов фильтрации для образцов глин из месторождений «Городное» и «Марковское» после взаимодействия с модельным минерализованным раствором возрастают в 2,4 и 1,3 раза соответственно по сравнению с необработанными образцами данных глин. Это свидетельствует о том, что глина месторождения «Марковское» более устойчива к воздействию модельного минерализованного раствора, чем глина месторождения «Городное». Установлено, что глина месторождения «Марковское» может быть использована в составе подстилающего экрана пункта захоронения низко- и среднеактивных отходов АЭС.

In this paper there were studied the mineral composition and sorption properties as well as filtration properties of natural clay samples from “Gorodnoe” deposit of Brest region and “Markovskoe” deposit of Gomel region. It was determined that clay mineral montmorillonite of the samples contains illite phase in the structure, which is 4,8 wt.% in “Gorodnoe” sample and 3,6 wt.% in “Markovskoe” sample. The illite phase was shown to contain highly selective sorption sites for 137Cs. 85Sr sorption mostly takes place on montmorillonite. It was determined that model mineralized solution (the solution imitating chemical composition of water solution if water penetrates a radioactive waste disposal and consequently passes through concrete, Na-bentonite and again concrete layers) doesn’t affect 137Cs sorption, but significantly affects 85Sr sorption. Distribution coefficients (Kd ) of 137Cs sorption on studied clay samples are higher than 103 dm3 /kg, indicating high sorption properties of the clays towards 137Cs. Kd 85Sr for sorption on the clay samples in the model mineralized solution is 30 times lower than Kd 137Cs mostly because of competition between strontium and calcium ions. It was determined that filtration coefficient values of clays from “Gorodnoe” and “Markovskoe” deposits are 2,4 and 1,3 times higher after being treated with the model mineralized solution than the filtration coefficient values for raw clay samples. Hence, the clay from “Markovskoe” deposit is more resistant to the influence of the model mineralized solution than the clay from “Gorodnoe” deposit. The overall results of the research state that the clay from “Markovskoe” deposit can be used in the underlying layer of low- and medium-level radioactive waste disposal facility at NPP.

глиныиллитмонтмориллонитсорбцияцезийстронциймодельный минерализованный растворпункт захоронения радиоактивных отходовclaysillitemontmorillonitesorptioncesiumstrontiummodel mineralized solutionradioactive waste disposal facilityReferencesЖемжуров, М. Л. Техническая концепция захоронения очень низкоактивных, низкоактивных и короткоживущих среднеактивных радиоактивных отходов Белорусской АЭС / М. Л. Жемжуров, Н. Д. Кузьмина // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2022. – Т. 67, № 1. – С. 105–118. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2022-67-1-105-118Zhemzhurov M. L., Kuzmina N. D. Technical concept of disposal for very low-level, low-level and short-lived intermediate-level radioactive waste of the Belarusian NPP. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizikatekhnichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2022, vol. 67, no. 1, pp. 105–118 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8358-2022-67-1-105-118Interactions of bentonite with metal and concrete from the FEBEX experiment: mineralogical and geochemical investigations of selected sampling sites / S. Кaufhold [et al.] // Clay Minerals. – 2018. – Vol. 53, Iss. 4. – P. 745–763. http://doi.org/10.1180/clm.2018.54Kaufhold 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 Minerals, 2018, vol. 53, iss. 4, pp. 745–763. http://doi.org/10.1180/clm.2018.54Procedures and Techniques for Closure of Near Surface Disposal Facilities for Radioactive Waste: IAEATECDOC-1260. – Vienna: IAEA, 2001. – 96 p.Procedures and Techniques for Closure of Near Surface Disposal Facilities for Radioactive Waste: IAEATECDOC-1260. Vienna: IAEA, 2001. 96 p.Применение природных глинистых материалов для повышения уровня ядерной безопасности объектов ядерного наследия / В. В. Крупская [и др.] // Радиоактив. отходы. – 2018. –№ 2 (3). – С. 30–43.Krupskaya V. V., Biryukov D. V., Belousov P. E., Lekhov V. A., Romanchuk A. Yu., Kalmykov S. N. The use of natural clay materials to increase the nuclear and radiation safety level of nuclear legacy facilities. Radioaktivnye othody = Radioactive Waste, 2018, no. 2 (3), pp. 30–43 (in Russian).Шарафутдинов, Р. Б. Моделирование диффузии радионуклидов из приповерхностных хранилищ жидких РАО / Р. Б. Шарафутдинов, О. Н. Уманова, В. И. Корж // Ядер. и радиац. безопасность. – 2008. – № 1. – С. 18–25.Sharafutdinov R. B., Umanova O. N., Korzh V. I. Radionuclide diffusion modelling in near-surface liquid radioactive waste storages. Yadernaya i radiatsionnaya bezopasnost’ = Nuclear and Radiation Safety, 2008, no. 1, pp. 18–25 (in Russian).Мартынов, К. В. Деформация и фильтрация в глинистых материалах для защитных барьеров радиационно опасных объектов / К. В. Мартынов, В. О. Жаркова, Е. В. Захарова // Радиоактив. отходы. – 2021. – № 4 (17). – С. 78–88.Martynov K. V., Zharkova V. O., Zakharova E. V. Deformation and filtration in clay materials constituting to the safety barriers of radiation hazardous facilities. Radioaktivnye othody = Radioactive Waste, 2021, no. 4 (17), pp. 78–88 (in Russian).Ionic strength and рН dependent multi-site sorption of Cs onto a micaceous aquifer sediment / A. J. Fuller [et al.] // Appl. Geochem. – 2014. – Vol. 40. – P. 32–42. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2013.10.017Fuller A. J., Shaw S., Peacock C. L., Trivedi D., Small J. S., Abrahamsen L. G., Burke I. T. Ionic strength and рН dependent multi-site sorption of Cs onto a micaceous aquifer sediment. Applied Geochemistry, 2014, vol. 40, рр. 32–42. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2013.10.017Cesium sorption reversibility and kinetics on illite, montmorillonite, and kaolinite / С. В. Durrant [et al.] // Sci. Total Environ. – 2018. – Vols. 610–611. – P. 511–520. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.122Durrant С. В., Begg J. D., Kersting А. В. Cesium sorption reversibility and kinetics on illite, montmorillonite, and kaolinite. Science of the Total Environment, 2018, vols. 610–611, pp. 511–520. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.122Сорбция радионуклидов 137Cs, 90Sr и 238U на различных природных сорбентах / В. В. Милютин [и др.] // Радиохимия. – 2021. – Т. 63, № 6. – С. 510–516. https://doi.org/10.31857//S0033831121060022Milyutin V. V., Nekrasova N. A., Belousov P. E., Krupskaya V. V. Sorption of Radionuclides 137Cs, 90Sr, and 233U on Various Natural Sorbents. Radiochemistry, 2021, vol. 63, no. 6, pp. 741–746. https://doi.org/10.1134/S1066362221060059Mayordomo, N. Effects of y-alumina nanoparticles on strontium sorption in smectite: Additive model approach / N. Mayordomo, U. Alonso, Т. Missana // Appl. Geochem. – 2019. – Vol. 100. – P. 121–130. http://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2018.11.012Mayordomo, N., Alonso U., Missana T. Effects of y-alumina nanoparticles on strontium sorption in smectite: Additive model approach. Applied Geochemistry, 2019, vol. 100, pp. 121–130. http://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2018.11.012Adsorption of Cs(I) and Sr(II) on Bentonites with Different Compositions at Different pH Minerals / Yu. Izosimova [et al.] // Minerals. – 2022. – Vol. 12, № 7. – Art. ID 862. https://doi.org/10.3390/min12070862Izosimova Yu., Gurova I., Tolpeshta I., Karpukhin M., Zakusin S., Zakusina O., Samburskiy A., Krupskaya V. Adsorption of Cs(I) and Sr(II) on Bentonites with Different Compositions at Different pH. Minerals, 2022, vol. 12, no. 7, art. ID 862. https://doi.org/10.3390/min12070862Modeling of Cs sorption in natural mixed-clay and the effects of ion competition / T. Missana [et al.] / Appl. Geochem. – 2014. – Vol. 49. – P. 95–102. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2014.06.011Missana T., García-Gutierrez M., Benedicto A., Ayora C., De-Pourcq K. Modeling of Cs sorption in natural mixedclay and the effects of ion competition Applied Geochemistry, 2014, vol. 49, pp. 95–102. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2014.06.011Мартынов, К. В. Взаимодействие надземной воды с барьерным бентонитом и фосфатным стеклом, содержащим имитаторы РАО / К. В. Мартынов, Е. В. Захарова // Вопр. радиац. безопасности. – 2019. – № 3. – С. 23–29.Martynov K.V., Zakharova E. V. Interaction of surface water with barrier bentonite and phosphate glass containing radioactive waste imitators. Voprosy radiatsionnoi bezopasnosti = Journal of Radiation Safety Issues, 2019, no. 3, pp. 23–29 (in Russian).Дерягин, Б. В. Поверхностные силы / Б. В. Дерягин, Н. В. Чуряев, В. М. Муллер. – М.: Наука, 1987. – 398 с.Deryagin, B. V., Churaev N. V., Muller V. M. Surface Forces. Moscow, Nauka Publ., 1987. 398 p. (in Russian).Маковская, Н. А. Исследование сорбции 137Cs и 85Sr перспективными белорусскими глинами и суглинками для их использования в составе инженерных барьеров пункта захоронения радиоактивных отходов Белорусской АЭС / Н. А. Маковская, А. А. Баклай, Т. Г. Леонтьева // Атомная энергетика, ядерные и радиационные технологии XXI века: докл. VIII Междунар. конф., 23–26 июня 2020 г., г. Минск / Научное учреждение «ОИЭЯИ – Сосны». – Минск: Право и экономика, 2020. – С. 165–169.Makovskaya N. A., Baklay A. A., Leont’eva T. G. Investigation of 137Cs and 85Sr sorption on Belarusian clays and loams for their utilization as a part of engineering barriers in radioactive waste disposal of the Belarusian NPP. Atomnaya energetika, yadernye i radiatsionnye tekhnologii XXI veka: doklady VIII Mezhdunarodnoi konferentsii, 23–26 iyunya 2020 g., g. Minsk [Atomic Energy, Nuclear and Radiation Technologies of 21st Century: Reports of 8th International Conference, 23–26 June 2020, Minsk]. Minsk, The Joint Institute for Power and Nuclear Research – Sosny of the National of the Academy of Sciences of Belarus, 2020, pp. 165–169 (in Russian).I-129 Test and Research to Support Disposal Decisions / D. Kaplan [et al.]. – Westinghouse, 2000. – 55 p.Kaplan D., Mattigod S., Parker K., Iversen D. I-129 Test and Research to Support Disposal Decisions. Westinghouse, 2000. 55 p.Dubina, E. The Phenomenon of Cement Ageing on Moist Air: Surface Chemistry, Mechanisms and Effects on Admixture Performance: dissertation / E. Dubina. – München, 2013. – 225 p.Dubina E. The Phenomenon of Cement Ageing on Moist Air: Surface Chemistry, Mechanisms and Effects on Admixture Performance. München, 2013. 225 p.Uptake of lead by Na-exchanged and Al-pillared bentonite in the presence of organic acids with different functional group / L. Perelomov [et al.] // Appl. Clay Sci. – 2016. – Vol. 119. – P. 417–423. https://doi.org/10.1016/j.clay.2015.11.004Perelomov L., Sarkar B., Rahman M. M., Goryacheva A., Naidu R. Uptake of lead by Na-exchanged and Al-pillared bentonite in the presence of organic acids with different functional. Applied Clay Science, 2016, vol. 119, pp. 417–423. https://doi.org/10.1016/j.clay.2015.11.004Post, J. E. Rietveld refinement of crystal structures using powder X-ray diffraction data / J. E. Post, D. L. Bish // Rev. Mineral. Geochem. – 1989. – Vol. 20, № 1. – P. 277–308. https://doi.org/10.1201/9781482277616-24Post J. E., Bish D. L. Rietveld refinement of crystal structures using powder X-ray diffraction data. Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 1989, vol. 20, no. 1, pp. 277–308. https://doi.org/10.1201/9781482277616-24Doebelin, N. Profex: a graphical user interface for the Rietveld refinement program BGMN / N. Doebelin, R. Kleeberg // J. Appl. Crystallogr. – 2015. – Vol. 48, part 5. – P. 1573–1580. https://doi.org/10.1107/S1600576715014685Doebelin N., Kleeberg R. Profex: a graphical user interface for the Rietveld refinement program BGMN. Journal of Applied Crystallography, 2015, vol. 48, part 5, pp. 1573–1580. https://doi.org/10.1107/S1600576715014685Modeling cesium retention onto Na-, K- and Ca-smectite: Effects of ionic strength, exchange and competing cations on the determination of selectivity coefficients / T. Missana [et al.] // Geochim. Cosmochim. Acta. – 2014. – Vol. 128. – P. 266–277. https://doi.org/10.1016/j.gca.2013.10.007Missana T., Benedicto A., García-Gutierrez M., Alonso U. Modeling cesium retention onto Na-, K- and Ca-smectite: Effects of ionic strength, exchange and competing cations on the determination of selectivity coefficients. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2014, vol. 128, pp. 266–277. https://doi.org/10.1016/j.gca.2013.10.007Белоусов, П. Е. Аналитические методы диагностики минерального состава бентонитовых глин / П. Е. Белоусов, Ю. И. Бочарникова, Н. М. Боева // Вестн. РУДН. Сер.: Инженер. исследования. – 2015. – № 4 – С. 94–101.Belousov P. E., Bocharnikova Yu. I., Boeva N. M. Analytical methods for diagnostic of mineral composition in bentonite clay. Vestnik RUDN. Seriya: Inzhenernye issledovaniya = RUDN Journal of Engineering Research, 2015, no. 4, pp. 94–101 (in Russian).Inorganic Sorbents for Wastewater Treatment from Radioactive Contaminants / N. A. Nekrasova [et al.] // Inorganics. – 2023. – Vol. 11, № 3. – Art. ID 126. https://doi.org/10.3390/inorganics11030126.Nekrasova N. A., Milyutin V. V., Kaptakov V. O., Kozlitin E. A. Inorganic Sorbents for Wastewater Treatment from Radioactive Contaminants. Inorganics, 2023, vol. 11, no. 3. art. ID 126. https://doi.org/10.3390/inorganics11030126Путилина, В. С. Сорбционные процессы при загрязнении подземных вод тяжелыми металлами и радиоактивными элементами. Стронций: аналит. обзор / В. С. Путилина. И. В. Галицкая, Т. И. Юганова. – Новосибирск: ГПНТБ СО РАН, 2013. – 95 с.Putilina V. S., Galitskaya I. V., Yuganova T. I. Sorption Processes in Heavy Metal and Radioactive Elements Groundwater Pollution. Strontium: an Analytical Review. Novosibirsk, State Public Scientific and Technical Library of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2013. 95 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.