Химики выяснили, как влияет круговорот веществ в экосистеме на загрязнение подземных вод радиоактивными отходами
Ученые отобрали пробы воды на площадке захоронения радиоактивных отходов, чтобы выяснить, оказывает ли влияние круговорот веществ в экосистеме на миграцию урана и других радионуклидов. Они установили, что микробные процессы в водоносных пластах-коллекторах способствуют слипанию частиц, содержащих радионуклиды. Эти частицы в свою очередь «собираются» в минералы, за счет чего происходит удержание полимеров в подземных водах. Таким образом снижается риск распространения радиоактивного загрязнения.
Исследование проведено учеными подведомственных Минобрнауки России Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН и Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН.
Образование жидких радиоактивных отходов сопровождает все этапы ядерного топливного цикла. Именно они создают наиболее острые проблемы в области экологии. Один из способов захоронения жидких радиоактивных отходов — это их закачка в глубоко залегающие (300-400 м) пласты осадочных пород. Перед исследователями стоит задача изучить механизмы подземной миграции радиоактивных веществ. Для этого нужно получить множество данных: о физико-химических и окисленных формах радиоактивных химических элементов, солесодержании подземных вод, сорбционных параметрах вмещающих пород в зависимости от их минерального состава, разнообразных биогенных процессах.
Ученые уже провели серию лабораторных экспериментов с пробами воды, отобранными на площадке захоронения жидких радиоактивных отходов, чтобы выяснить, оказывают ли биогеохимические процессы (круговорот веществ в экосистеме) влияние на миграцию радиоактивных веществ.
Они обнаружили, что микробные процессы способны вызывать коагуляцию (слипание частиц) содержащих радионуклиды глинистых и железистых коллоидов (образующихся путем дробления крупных частиц на более мелкие). За счет коагуляции образуются минералы —нерастворимые формы двухвалентного железа (гетит, пирротин, сидерит, троилит и ферригидрит). Эти минералы и удерживают радионуклеиды в крупных полимерах, железистых и глинистых отложениях.
Также исследователи установили, что перемещение радионуклидов, в том числе наиболее долгоживущих и опасных, в пласте-коллекторе составляет не более нескольких десятков метров от нагнетательной скважины.
«Результаты исследования позволят разработать способы иммобилизации радионуклидов в относительно небольшом ореоле возле нагнетательной скважины. Однако изъять их с глубины 300-400 м не удастся. Радиоактивные отходы специально закачивают в пласт-коллектор — это пласт подземной воды, отделенный снизу и сверху водоупорами из вмещающих пород, непроницаемыми для вод», — сказал заведующий лабораторией радиохимии окружающей среды ГЕОХИ РАН, доктор химических наук Александр Новиков.
На ряде российских предприятий был использован подход, который позволяет стимулировать микробное сообщество органическими субстратами. Это позволит удерживать в пластовых водах уран и технеций, а также удалять техногенные нитрат-ионы.
В качестве культур микроорганизмов используются нативные и внесенные штаммы из числа природных непатогенных бактерий родов Pseudomonas, Shewanella, Desulfovibrio. В качестве питательного химического раствора используются 1-5 масс.% водных растворов углеводов. По словам авторов научной работы, метод применяется с 2010-х гг., но пока в ограниченных пилотных испытаниях.
Оценка роли биогеохимических процессов в переносе радионуклидов — часть комплексного проекта по изучению влияния различных геохимических и микробиологических факторов на формы нахождения радиоактивных химических элементов в водоносных горизонтах. По его завершении ученые планируют подобрать условия, способствующие эффективной комплексной очистке подземных вод от радиоактивных веществ.
Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России. Научная статья опубликована в журнале Nature. В материалах статьи содержатся экспериментальные данные по коллоидообразованию радионуклидов в условиях, моделирующих реальное подземное захоронение жидких радиоактивных отходов.
Элементные карты распределения на поверхности фильтров с размером пор 2400 нм (A) алюминия, (B) кремния, (C) железа, (D) урана, после фильтрации образца (пробы). Данные получены при использовании сканирующего электронного микроскопа с энергодисперсионной приставкой.
