Ученые исследовали роль биогеохимических процессов – круговорота веществ в био-, атмо-, гидросфере Земли – в переносе урана и других радионуклидов в подземных водах, загрязненных жидкими радиоактивными отходами. Они выяснили, 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 (ИФХЭ) 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, солесодержания подземных вод, сорбционных параметров вмещающих пород в зависимости от их минерального состава, разнообразных биогенных процессов.
Ученые уже провели серию лабораторных экспериментов с пробами воды, отобранными на площадке захоронения жидких радиоактивных отходов, чтобы выяснить, оказывают ли биогеохимические процессы влияние на миграцию радиоактивных веществ.
Они обнаружили, что микробные процессы способны вызывать коагуляцию (слипание частиц) содержащих радионуклиды глинистых и железистых коллоидов (они образуются 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 и железо- и глинистых отложениях.
Также исследователи установили, что перемещение радионуклидов, в том числе и наиболее долгоживущих и опасных, в пласте-коллекторе составляет не более чем несколько 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 г., 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 в рамках госзадания Минобрнауки России. Научная статья опубликована в журнале Nature https://www.nature.com/articles/s41598-022-08593-3. В материалах статьи содержатся экспериментальные данные по коллоидообразованию радионуклидов в условиях, моделирующих реальное подземное захоронение жидких радиоактивных отходов.