Россия занимает одно из ведущих мест в мире по запасам урановой руды. Ежегодно предприятия горнорудного дивизиона Росатома добывают более трёх миллионов тонн урана, который служит основным источником топлива для атомной энергетики. Однако существующие технологии всё ещё недостаточно совершенны, чтобы сделать это производство безопасным для человека и окружающей среды. Одна из главных проблем связана с необходимостью складирования и хранения т. н. хвостов — породы с низким содержанием полезных элементов, которая остаётся после механического обогащения руды путём сгущения и флотации. В 2016 году специалисты концерна BASF, ведущего мирового производителя строительной химии, предложили решение, способное существенно улучшить защиту хвостохранилищ и облегчить их проектирование и строительство.

Радоновая проблема

Применяемая сегодня в мире технология добычи и переработки полезных ископаемых включает этап механического обогащения. Его отходами являются хвосты, которые в виде пульпы отправляются по трубопроводу в хвостохранилище. Эти сооружения представляют собой специально оборудованные комплексы для хранения или захоронения радиоактивных, токсичных и других отвальных отходов обогащения полезных ископаемых. Часто их строят в нескольких километрах от горно-обогатительной фабрики, в природных ущельях, распадках или искусственно созданных котловинах.

На производствах по обогащению урана такие хранилища должны быть расположены как можно дальше от населённых пунктов, но при этом на приемлемом расстоянии от флотационной фабрики, поскольку протяжённость пульпопроводов не может быть чрезмерно большой, а работа насосного оборудования требует постоянного контроля.

Осложняет строительство хвостохранилищ на урановых комбинатах и ещё одно обстоятельство. Дело в том, что продуктом распада содержащегося в хвостах 238U является радиоактивный газ 222Rn, проникающий в грунт и затем в атмосферу из пастовой закладки отработанной руды.

Газообразный радон с периодом полураспада три – восемь суток постоянно делится на другие изотопы, последовательно образуя цепочки дочерних продуктов, вплоть до стабильных изотопов свинца 206Pb и 208Pb. Этот процесс сопровождается выделением гамма-квантов, альфа- и бета-частиц, облучение которыми представляет серьёзную опасность для человека. Согласно медицинской статистике, радионуклиды радона обеспечивают более 50 % совокупной дозы радиации, которую в среднем получает организм человека от природных и техногенных радионуклидов. По данным департамента здравоохранения США, радон — второй по частоте после курения фактор, вызывающий рак легких, преимущественно бронхогенного (центрального) типа.

Высокий уровень принимаемых защитных мер доказывает всю серьёзность проблемы. Так, обязательным условием захоронения отходов обогащения урановой руды является поддержание постоянного защитного водного зеркала по всей поверхности хвостохранилища. Подобные сооружения требуют не только огромных затрат на строительство, но и немалых эксплуатационных расходов. При этом нужно учитывать, что поддерживать их в рабочем и безопасном состоянии придётся практически вечно, ведь период полураспада 238U составляет около 4,5 млрд лет. Неудивительно, что поиск новых, эффективных решений для защиты от радона занимает умы многих специалистов.

Тонконапыляемые мембраны для подземных выработок

Нужное решение было найдено в процессе испытаний разработанной BASF тонконапыляемой мембраны MasterRoc TSL 865. Изначально этот материал создан для укрепления поверхностей подземных горных выработок и их защиты от выветривания.

Тонконапыляемые мембраны представляют собой полимерные покрытия, способные прилипать к основе (горной породе, бетону или торкрет-бетону) и удерживать ослабленную или раздробленную породу. Они отличаются типом смеси и полимерной основой и делятся на реакционные и нереакционные. Реакционные ТНП затвердевают быстро вследствие немедленного связывания полимеров после их смешивания. Нереакционные представляют собой систему «полимер — вода — добавки» и обретают твердость в результате испарения воды относительно медленно. В отличие от реакционных, они нетоксичны и хорошо прилипают как к влажным, так и к сухим поверхностям.

В общем случае эффективность ТНП характеризуется несколькими параметрами: толщиной слоя (от 2 до 10 мм), прочностью на растяжение и удлинением до разрыва (в соответствии с EN ISO 527-2), адгезионной прочностью к бетону (по DIN 1048-2) и горючестью (по DIN 4102 — B2).

Тонконапыляемая мембрана MasterRoc TSL 865, разработанная в BASF, сочетает в себе полезные свойства обоих классов покрытий. Это нетоксичное нереакционное ТНП, которое относительно быстро (за 24–30 часов, что приемлемо для горного строительства) затвердевает и имеет хорошую адгезию к неровной влажной и сухой поверхности, формируя слой толщиной от двух до 10 миллиметров. Образуемое покрытие полностью негорючее: как показали испытания, оно является самозатухающим, не подвержено тлению и дымообразованию.

Процесс испытания MasterRoc TSL 865

Помимо своего основного назначения, мембрана может также служить в качестве герметика, обеспечивающего защиту от влияния подземной среды (колебаний влажности и температуры). В этом качестве материал способен предотвращать или замедлять такие процессы деградации горной породы, как расслоение и набухание. Некоторые типы пород, например филлиты, аргиллиты и глинистые сланцы, чувствительны к колебаниям влажности. Со временем они разрушаются в результате выветривания, что можно предотвратить путём их немедленной герметизации после проходки с использованием MasterRoc TSL 865. Это полезное свойство мембраны в современных условиях строительства применимо и к гражданскому тоннелестроению, когда проходка железнодорожного или автотранспортного тоннеля происходит в слабых грунтах и породах, склонных к набуханию.

Изучая характеристики мембраны, специалисты очень скоро обратили внимание и на некоторые другие её полезные свойства, в том числе на газоизоляционные.

Мембрана встаёт на пути радиации

Впервые свойство мембран этого типа создавать защиту от радона обнаружил и исследовал доктор Томас Штрайль из SARAD Geolab GmbH, составивший в 2010 г. отчёт о проницаемости образца фольги для радона. В России этот опыт был рассмотрен в 2016-м в лаборатории моделирования производственных процессов подземных горных работ ВНИПИ промтехнологии ГК «Росатом» под руководством Евгения Кузьмина. Специалисты поставили перед компанией «БАСФ Строительные системы» задачу испытания MasterRoc TSL 865 на способность изоляции поверхности от проникновения радона 222Rn.

В апреле 2017 г. в технологической лаборатории ЦНИЛ ПАО «ППГХО» (г. Краснокаменск) путём сгущения материала хвостов переработки урановых руд с добавлением флокулянта ПАА КНР было приготовлено пять цилиндрических образцов пастовой закладки. После чего на предприятии в радиационной безопасности, при непосредственном участии технического специалиста отдела «Подземное строительство» компании «БАСФ Строительные системы», на образцы нанесли слои мембраны MasterRoc TSL 865 толщиной 3, 5, 8 и 10 мм. Один оставили без покрытия – в качестве контрольного для измерения исходной плотности потока радона.

Как показали проведённые в результате замеры (по десять для каждого), при нанесении слоя мембраны MasterRoc TSL 865 толщиной 3 мм плотность потока радона снижается в 1,8 раза в сравнении с контрольным образцом, слой в 5 мм – в 12 раз, а при толщине 8 и 10 мм – в 21 и в 25 раз соответственно. Фактически это обеспечивает полную изоляцию от радона, уменьшая уровень его воздействия. На основании полученных результатов была построена зависимость изменения плотности потока радона от толщины мембраны MasterRoc TSL 865.

Зависимость изменения плотности потока радона из пастовой закладки от толщины слоя мембраны MasterRoc TSL 865.

Таким образом, в результате серии испытаний была выявлена способность мембраны MasterRoc TSL 865, нанесённой слоем толщиной 5 мм и более, обеспечивать надёжную защиту от выделения 222Rn из пастовой закладки отходов переработки урановых руд. Кроме того, предварительная изоляция поверхности выработки (горной породы) полимерным составом MasterRoc TSL 865 методом простого сухого набрызга и дальнейшая поверхностная изоляция сгущенной пульпы хвостов позволит также обеспечить защиту от радона в течение нескольких недель, поскольку период его полураспада составляет всего три — восемь дней.

Благодаря инновации BASF появилась возможность отказа от использования традиционных хвостохранилищ с их сложностями проектирования, строительства и эксплуатации. Это позволит существенно снизить эксплуатационные затраты обогатительных предприятий, обеспечив при этом ещё более надёжную защиту людей и окружающей среды от воздействия радиации.

Антон Рокотянский, технический специалист отдела «Подземное строительство» BASF

Источник