Лаборатория – Научный центр «Инженерные барьеры»

Научные направления

Основными направлениями Научного центра являются:

1. Расширение представлений о генезисе глинистых минералов, в том числе:

• комплексные исследования по уточнению тонкого строения глинистых минералов;
• трансформационные преобразования глинистых минералов и их стабильность в ходе геологических и техногенных процессах;
• синтез глинистых минералов в широком диапазоне условий и влияние условий образования на состав и свойства глинистых минералов.

2. Изучение состава, строения и свойств глинистых минералов, в том числе:

• глинистые минералы как компоненты изоляционных барьеров безопасности при изоляции радиоактивных отходов;
• влияние особенностей строения глинистых минералов на функциональные свойства материалов на их основе.

3. Разработка систем фильтрационных и противофильтрационных барьеров для изоляции высотоксичных отходов, в том числе:

• разработка функций безопасности системы ИББ и отдельных ее компонентов;
• разработка уникального оборудования для оценки свойств инженерных барьеров.

4. Анализ изменения состава и свойств компонентов и всей системы инженерных барьеров в ходе эксплуатации и после закрытия объектов изоляции высокотоксичных отходов, в том числе радиоактивных:

• проведение испытаний компонентов ИББ (в первую очередь, глинистых и бетонных материалов) для комплексной оценки их свойств (физических, водно-физических, механических, химических и др.);
• разработка и проведение экспериментов для комплексной оценки процессов, протекающих в системе ИББ.

В Центре проводятся работы полного спектра – от исследования отдельных процессов, протекающих в инженерных барьерах безопасности до оценки сохранения системой или отдельными ее компонентами возлагаемых на них функций безопасности.

Результаты исследований Центра используются для обоснования безопасности пунктов финальной изоляции РАО, разработки систем инженерных барьеров, в том числе при реализации Комплексной программы исследований в обоснование безопасности сооружения, эксплуатации и закрытия ПГЗРО на участке «Енисейский».

Системность исследований материалов и компонентов инженерных барьеров

Научно-техническая площадка по экспериментальному изучению эволюции глинистых материалов «CLEVER»

Для развития направления по изучению эволюции материалов инженерных барьеров была создана специальная научно-техническая площадка – CLEVER = CLay EVolution Experiments Room, в рамках которой реализуются работы, направленные на изучение преобразования состава и строения глинистых минералов, а также бетонных и других материалов в долгосрочной перспективе на основе экспериментов различной длительности. Ниже приведены отдельные результаты работ сотрудников Научного центра по разным направлениям работ.

Направления исследований

Основные результаты сотрудников Лаборатории за последние 10 лет.

1.1. Прогнозирование стабильности глинистых минералов при термохимическом воздействии.

Бентонитовые (смектитовые) глины широко используются в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в качестве инженерных барьеров безопасности при изоляции радиоактивных отходов различной степени активности благодаря особым сорбционным и гидроизоляционным свойствам.

Глины могут испытывать различное техногенное воздействие, которое в длительной перспективе может привести к потенциальному преобразованию состава и свойств глинистых материалов и, как следствие, к изменению изоляционных свойств барьеров безопасности. Проведенные исследования позволили смоделировать механизмы структурных преобразований смектитов при термохимическом воздействии, которые выражаются в «вымывании» катионов из межслоевых позиций, частичном протонировании межслоя, «вымывании» катионов из октаэдрических и тетраэдрических позиций, частичном разрушении структуры слоя 2:1. Было выявлено, что смектиты с преобладанием цис-вакантных октаэдров будут проявлять более высокую устойчивость к термохимическому воздействию, по сравнению с транс-вакантными. Полученный результат об определяющем влиянии ориентации октаэдрических вакансий по цис- и транс-мотиву является принципиально новым и будет использован в дальнейших исследованиях по моделированию поведения бентонитовых глин при термохимическом воздействии разного рода. Так, продолжаются исследования по воздействию высокощелочных растворов, которые могут возникать на границе бетон-бентонит в условиях пунктов захоронения радиоактивных отходов. Предварительные результаты показывают, что в таких условиях кроме преобладания цис- или транс-вакантных октаэдров большое влияние на устойчивость бентонитов будут оказывать аморфные фазы, присутствующие в природных глинах.

Выявленные закономерности влияния структурных особенностей смектита на поведение глинистых материалов при термохимическом воздействии (Krupskaya et al., 2017– doi.org/10.3390/min7040049)

1.2. Синтез глинистых минералов

Интерес к синтезу алюмосиликатных фаз, синтетических аналогов природных минералов, связан с исследованиями, направленными на расширение представлений о путях и условиях образования минералов, но также направлен на синтез новых структур и частиц различной морфологии, которые могут найти промышленное применение в таких областях промышленности как медицина, синтез катализаторов и пр. Одним из важнейших факторов, определяющих строение и свойства конечных материалов при синтезе неорганических материалов является тип прекурсоров (или т.н. предшественников/синтонов), используемых в качестве исходных компонентов для синтеза, а также условия, в которых происходит максимальная гомогенизация компонентов и осуществляется сам синтез. Очевидно, в случае каолинита при синтезе необходимо сочетании двух прекурсоров, из которых один является предшественником Al2O3, второй – SiO2 в конечном материале. Основной идеей всех используемых в разное время подходов является получение до стадии автоклавирования высокодисперсных и наиболее гомогенных по распределению элементов (алюминия и кремния) алюмосиликагелей. При этом высокая дисперсность должна обеспечивать рост растворимости компонентов в условиях последующего гидротермального синтеза (что также достигается за счет повышения температуры синтеза – 200–400 °С), в то время как гомогенность создает условия для получения кристаллов требуемого состава, предотвращая сегрегацию компонентов (образование индивидуальных оксидных фаз), увеличивая вероятность образования требуемой фазы. В ходе выполнения работ был проведен синтез 1:1 алюмосиликатов с использованием трех прекурсоров кремния: тетроэтксисилана (ТЭОС), коммерческого золя коллоидного диоксида кремния – Nanosil-40M и концентрированного раствора SiO2 в метиламине. Полученные синтезированные образцы исследовались комплексом методов, которые включали рентгеновскую дифракцию, инфракрасную спектроскопию, рентегнофлуоресцентный анализ, сканирующую электронную микроскопию.

Было выявлено влияние перкурсоров на особенности формирования 1:1 алюмосиликатов, в частности, показано образование более упорядоченного каолинита при использовании прекурсора кремнезоль Nanosil-40M (Koroleva et al., 2024). Повышение щелочности в значимой степени влияет на результаты синтеза. При pH – 3.4 частицы каолинита неоднородные по размеру (<0.5 мкм) и отличаются гексагональной формой. С увеличением pH до 6.0 синтетический аналог минерала каолинит характеризуется увеличением размера частиц, форма кристаллитов остается пластинчатой с четкими краями, образующими крупные агрегаты. При дальнейшем увеличении pH синтеза до 10.8 в образцах преобладают крупные хорошо окристаллизованные кристаллиты слегка выгнутой формы, что не характерно для каолинита. Детальные исследования показали, что в высокощелочных условиях синтезируются минералы структуры типа галлуазита, преимущественно, с примесью структур типа каолинит (Королева и др. 2024).

Электронно-микроскопические микрофотографии синтезированных аналогов слоистых алюмосиликатов группы каолинита (Koroleva et al., 2024 – doi.org/10.3390/ma18030472)

1.3. Преобразование глинистых минералов в техногенных процессах

В силу различных исторических событий в Российской Федерации помимо используемых в мировой практике хранилищ РАО имеется множество ядерных и радиационно опасных объектов, включенных в настоящее время в Федеральную целевую программу - «Ядерная и радиационная безопасность – ЯРБ-2» и требующих специальных процедур мониторинга и проведения процедур по выводу из эксплуатации. Одними из таких объектов, которые рассматривались на предмет реакции геологической среды на воздействие растворов, сопровождающих захоронение РАО, являлись: пункт изоляции жидких радиоактивных отходов (ЖРО) на территории полигона АО «Сибирский химический комбинат» и захоронение твердых РАО (ТРО) на полигоне Ангарского электролизного химического завода (АЭХК), которые находятся в зоне аэрации. Комплексные исследования образцов из наблюдательных скважин, расположенных на удалении до 100–120 м от нагнетальных на территории полигона АО «СХК» позволили показать, что в подобных условиях происходит синтез специфических смектитовых «техногенных» фаз с высокой сорбционной активностью, в то время как в щелочных условиях полигона АЭХК наблюдается преобразование смектитовых компонентов в иллитовые с формированием NH4-слюдисто подобного минерала.

Результаты исследований техногенного преобразования геологической среды в районе захоронения жидких радиоактивных отходов (Krupskaya et al., 2024 – doi.org/10.3390/min14030252)

1.4. Работы в области разработки и обоснования систем инженерных барьеров при изоляции высокотоксичных отходов

В данном направлении достигнуты особые результаты, которые используются в настоящий момент при создании новых объектов размещения высокотоксичных отходов, в том числе радиоактивных отходов, при выводе из эксплуатации ядерно- и радиоационно опасных объектов и т.д.

Разработка систем сорбционных фильтрационных и противофильтрационных барьеров

К минеральным сорбентам относится целый ряд пород обладающие микропористостью и структурными дефектами. К этой группе в основном относятся глинистые минералы, цеолиты и кремнистые породы (диатомит, трепел, опока).

В свою очередь минеральные сорбенты по своим свойствам делятся на две принципиально разные группы – противофильтрационные и фильтрационные сорбенты.

В противофильтационным барьерам относятся бентонитовые глины. За счет гидратации катионов в межслоевом пространстве глины, происходит внутрикристаллическое набухание. Бентонитовая глина приобретает мощные гидроизоляционные свойства. Бентонитовые буферы безопастности планируется использовать при захоронении высокорадиоактивных отходов. Также их применяют при создании подстилающих и перекрывающих гиброизоляционных бентонитовых матов при строительстве приповерхностных хранилищ.

Фильтрационные сорбенты напротив, по своей структуре имеют пористое строение и легко пропускают через себя воду, очищая ее от вредных веществ. Использование подобных сорбентов позволяет создавать проницаемые барьеры безопасности, а также фильтрационные установки.

Захоронение радиоактивных отходов (РАО) в геологических формациях представляет собой комплексную задачу и часто ставит науку и технологию перед своего рода вызовом, который не стоял ранее. Абсолютное большинство концепций могильников для высокоактивных отходов (ВАО) в глубинных геологических формациях включают в себя инженерные барьеры безопасности (ИББ), одним из ключевых компонентов которых являются бентонитовые глины. В российской концепции пункта захоронения радиоактивных отходов (ПГЗРО) рассматривается разработка инженерных барьеров безопасности с использованием в буферной зоне (зоне между канистрами с РАО и стенками скважин) бентонитового глинистого материала высокой плотности. Несмотря на кажущуюся изученность бентонитов, многие вопросы эволюции состава и свойств бентонитов в условиях подземных захоронений остаются открытыми. В первую очередь это касается поведения материалов в прогнозируемых условиях на участке недр «Енисейский», а также преобразования глинистых минералов, которые могут происходить после закрытия ПГЗРО в течение длительного периода времени, что необходимо для прогнозирования безопасности объекта.

Процессы, протекающие в ПГЗРО после его закрытия, могут потенциально привести к деградации ряда свойств ИББ, что должно быть изучено и рассмотрено с точки зрения оценки безопасности на ближнюю и дальнюю перспективы. Понимание протекающих процессов и возможных изменений состава, строения и свойств компонентов ИББ должно лечь в основу долгосрочных экспериментов в Подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ) и разработки (коррекции существующих) моделей эволюции ИББ в долгосрочной перспективе. Одним из результатов работы являются рекомендации по выбору глинистого материала для создания различных элементов системы инженерных барьеров безопасности и проекты долгосрочных экспериментов, которые позволят провести более многогранную оценку безопасности ПГЗРО. Работы по данному направлению проводятся сотрудниками Научного центра с учетом разномасштабности с применением как стандартного оборудования, так и с использованием уникальных стендов, ячеек и установок, разрабатываемых в Центре.

Схема системы инженерных барьеров и процессов, которые рассматриваются для обоснования безопасности объектов изоляции высокоактивных радиоактивных отходов

Сотрудники Научного центра проводят исследования по комплексному изучению минерального сырья на многих месторождений и проявлениях на территории Российской Федерации.

Карта расположения участков полевых работ сотрудников Научного центра в кооперации с коллегами из лаборатории геологии рудных месторождений (составили Белоусов П.Е. и Кайлачаков П.Э.)

Публикации сотрудников Лаборатории можно найти на персональных страницах – www.ruclay.com.

Методы и оборудование

При изучении преобразования инженерных барьеров в прогнозируемых условиях сотрудниками Лаборатории используется комплекс методов, которые включает как использование собственного оборудования, так и оборудования, размещенное на площадках других институтов в рамках научно-технического сотрудничества:

1. Рентгеновская дифракция (по собственной аттестованной методике).
2. Химические методы анализа (РФА, ААС, ИСП и др.).
3. Инфракрасная спектроскопия.
4. Мессбауэровская спектроскопия.
5. Сканирующая электронная микроскопия.
6. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения.
7. Рентгеновская микротомография.
8. Анализ адсорбционных характеристик (емкость катионного обмена (ЕКО), площадь удельной поверхности (SBET), текстурные свойства (размер и объем пор), сорбция тяжелых металлов и радионуклидов и др.).
9. Лазерный дифракционный анализ.
10. Анализ физико-механических свойств.
11. Анализ физико-химических свойств.
12. Радиоаналитическая спектрометрия.

Сотрудниками Центра были разработаны и аттестованы методики:

• «Количественный рентгенодифракционный анализ (КРДА) горных пород, руд и материалов по методу Ритвельда» (Свидетельство об аттестации методики (метода) измерений № 366/2022 01.00115 2013),
• «Методика измерения ёмкости катионного обмена по адсорбции комплекса меди (II) с триэтилентетрамином – Cu-TRIEN» (Свидетельство об аттестации методики (метода) измерений № 1002/03-RA.RU.311703-2022).

Оборудование Центра позволяет решать широкий спектр задач, связанных как с анализом вещества, так и с анализом геотехнических параметров, важных для широкого спектра областей науки и народного хозяйства.

Научно-исследовательское оборудование

• Универсальный рентгеновский дифрактометр HAOYUAN DX-2700,
• Хроматограф «Кристаллюкс-4000M»,
• Комплексы ЛИГА КЛ-0, 1, 0С, 1С,
• Прибор для определения свободного набухания грунтов ПНГ-1 (12 шт.),
• Автоматизированные компрессилнные одометры для определения набухаемости и деформируемости грукнтов ОК-20 (12 шт.),
• Прибор сосредоточенного нагружения ПСН-0.16.10,
• Вискозиметры ПРОМТ ВЗ-246 и Brookfield DV2TLV,
• Фильтр-пресс полной площади с ручным насосом ZNS-5A,
• Спектофотометр ЭКСПЕРТ-003,
• Лабораторный иономер И-160 МИ.

Оборудование для подготовки образцов, в том числе компактированных:

• Пресс T61275A AE&T 75т с ручным и пневмоприводом
• Пресс напольный 16 т, гидравлический NORDBERG N3620JL с бутылочным домкратом R7100096
• Пресс лабораторный гидравлический LabTools ПЛГ-12
• Компрессор Hyundai HYC 1406S
• Сушильный шкаф Binder FD 53 и ШС -80-01 МК СПУ (3500)
• Печь муфельная ПМ-14М1-1200 с терморегулятором РТ-1200 и вытяжкой
• Истиратель вибрационного типа Вибротехник ИВ-6
• Ультразвуковой гомогенизатор Vibra Cell VCX 130 (Sonics & Materials, Inc.)
• Шейкер лабораторный орбитальный Labtex SKO-330 LT
• Лабораторные мешалки магнитные Labtex с нагревом
• Ультразвуковая ванна Fisher Scientific FB15047
• Ножевая мельница DM-6
• Центрифуга лабораторная ULAB US-1536E
• Центрифуга лабораторная Sigma 3-16L
• Насос вакуумный VPA-115 пластинчато-роторный
• Лабораторные весы специального класса точности (I) OHAUS Pioneer PR224
• Весы электронные с функцией подсчета количества предметов ROMITECH MS-40
• Лабораторные мешалки магнитные Labtex с нагревом

Рентгеновский дифрактометр HAOYUAN DX-2700

Современный универсальный порошковый рентгеновский дифрактометр HAOYUAN DX-2700 позволяет изучать фазовый состав кристаллических веществ, как природных образцов, так и синтетических соединений. Применение такого современного оборудования в совокупности с программными комплексами анализа данных позволяет получать информацию о количественном фазовом составе природных и синтетических полиминеральных образований, а также изучать новые, еще неисследованные, материалы. Дифрактометр оснащен современным твердотельным точечным детектором с монохроматором и рентгеновской трубкой с медным анодом, что позволяет получать рентгенодифракционные картины высокого качества даже на образцах, содержащих большое количество железа, что является распространённой проблемой для природных образцов. Широкий набор держателей обеспечивает широкие возможности съемки образцов различного количества, формы и дисперсности.

Для анализа газообразных веществ в Центре имеется газовый хроматограф «Кристаллюкс-4000M». Прибор укомплектован детекторами, позволяющими получать количественные данные о содержании углеводородов, кислорода, азота, водорода.

Газовый хроматограф «Кристаллюкс-4000M»

Широкий спектр инженерно-геологических, гидрогеологических и геотехнических исследований проводится на комплексе современного оборудования по стандартизированным методикам (ГОСТ, ASTM, AISI, BS, и пр.). Для проведения таких исследований в Центре имеются автоматизированные комплексы изучения грунтов ЛИГА (ООО «ПрогрессГео») в различных комплектациях, в том числе, оснащенные оригинальными устройствами, такими как автоматизированные приборы набухания грунтов, гидравлические мультипликаторы высокого давления, диффузионные и фильтрационные ячейки. Комплекс оборудования позволяет определять:

• прочностные свойства в условиях одноосного, трехосного сжатия, разрыва и при одноплоскостном срезе,
• деформационные свойства,
• набухаемость (давление и деформация в широком диапазоне, в т.ч. за пределами стандартизированных методик),
• водопроницаемость.

Наряду с автоматизированными системами Центр укомплектован оборудованием для определения свойств глинистого сырья, грунтов, и материалов на их основе, таких как:

• индекс набухания,
• водоотдача,
• характеристические влажности и показатели пластичности,
• гранулометрический и микроагрегатный состав.

Комплексы испытания грунтов ЛИГА в различных комплектациях

Для определения сорбционных характеристик образцов различного происхождения и сферы применения (горные породы, глинистые грунты, фармацевтические препараты и пр.) в Центре активно применяется метод измерения емкости катионного обмена. Для применения этого метода также имеется необходимое оборудование для пробоподготовки и анализа, такое как спектрофотометр ЭКСПЕРТ-003, лабораторные мельницы, рН-метры, шейкеры и пр.

Центре оснащен полным комплексом оборудования для пробоподготовки образцов различного состава и строения для дальнейших исследований. Он включает в себя вибрационный истиратель Вибротехник ИВ-6 на 6 чашек из карбида вольфрама, набор сит с виброприводом, сушильные шкафы (Binder и ЛОИП), муфельные печи объемом до 60 л, центрифуги лабораторные, ультразвуковые диспергаторы в виде зонда и ванны, прессы гидравлические с наборами прессформ, дозаторы жидкостей, эксикаторы различных объемов, комплект лабораторной посуды и пр. Полный список имеющегося оборудования представлен ниже.

Реализованные проекты, гранты и научно-техническое сотрудничество

Гранты РФФИ:

20-35-90039 (Аспиранты): Граничные преобразования материалов инженерных барьеров безопасности при изоляции радиоактивных отходов в кристаллических массивах. Руководитель: к.г.-м.н. Крупская В.В., аспирант – Морозов И.А.

18-29-12115-мк: Сорбционная способность монтмориллонита разного состава по отношению к радионуклидам и их неактивным аналогам как ключ к созданию инновационных композитных материалов с заданными свойствами. Руководитель: к.г.-м.н. Крупская В.В.

14-05-00297: Преобразования глинистых минералов в результате длительного воздействия высокореакционных растворов, сопровождающих жидкие радиоактивные отходы. Руководитель: к.г.-м.н. Крупская В.В.

15-05-20940: Проект организации Третьего Российского совещания по глинам и глинистым минералам - ГЛИНЫ-2015 и IV Российской Школы по глинистым минералам Argilla Studium-2015. Руководитель: к.г.-м.н. Крупская В.В.

15-33-51077-моб: Исследование механизма воздействия минерального модификатора на структуру и поверхностные свойства природных слоистых силикатов. Руководитель: Новикова Л.В., молодой специалист – Доржиева О.В.

Гранты РНФ:

22-17-00252: Минеральные трансформации в мультибарьерной системе при изоляции радиоактивных отходов в геологических формациях как индикатор прогноза обеспечения безопасности захоронения. Руководитель: к.г.-м.н. Крупская В.В.

16-17-10270: Стабильность буферных свойств бентонитовых барьерных систем при их эксплуатации для изоляции захоронений радиоактивных отходов. Руководитель: к.г.-м.н. Крупская В.В.

Партнеры:

• ИБРАЭ РАН
• ИГЭ РАН им. Е.М. Сергеева
• ИФХЭ РАН
• ГИН РАН
• МГУ им. М.В. Ломоносова
• РХТУ им. Д.И. Менделеева
• ОАО «СХК»
• ООО «Деко-Сервис»
• ОИЭЯИ – Сосны
• ПГО «Росгеология»
• ВИМС
• Сколковский институт науки и технологий (Сколтех)
• ООО «Компания Бентонит»
• ООО «Бентонит Хакасии»

Научно-техническое сотрудничество:

• ОАО «Компания Бентонит» в области изучения генезиса минералов группы смектита, особенностей влияния условий образования на свойства глинистого сырья, отработка решений для получений оптимальных технологических показателей.
• Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH (Германия) в области изучения транформационных преобразований монтмориллонита в модельных условиях при захоронении радиоактивных отходов в рамках проекта MUSE (Mineralumwandlung und Sorption bei erhöhten Temperaturen in geklüfteten Kristallingesteinen und Barrierematerial) и действующего Соглашения о сотрудничестве между ИГЕМ РАН и GRS.
• National Institute of Advanced Industrial Science and Technology («AIST», Япония) в области изучения особенностей строения минералов группы смектита и их преобразований в условиях техногенеза.
• ИБРАЭ РАН в области экспериментального, научно-методологического и экспертного обеспечения получения геотехнической информации для развития подземной исследовательской лаборатории (ПИЛ) с целью развития и реализации концепции захоронения высокоактивных радиоактивных отходов.
• студенты Геологического факультета Московского Государственного Университета – выполняют курсовые и магистерские работы, проходят в лаборатории производственную практику.

Научно-организационная деятельность

Сотрудниками Лаборатории регулярно проводятся научные мероприятия и школы для молодых ученых и специалистов в области изучения состава, строения и свойств глинистых материалов:

• Международная конференция: Глины, глинистые минералы и слоистые материалы − Clay minerals and layered materials − CMLM − 2009, 2013;
• Российское совещание по глинам и глинистым минералам − «ГЛИНЫ» − 2011, 2012, 2015, 2019, 2023, 2025;
• Российская Школа по глинистым минералам − «Argilla Studium» − 2012, 2013, 2014, 2015, 2017, 2019, 2025;
• Совещания по применению глинистых материалов в атомной отрасли для захоронений радиоактивных отходов.