Изоляционные свойства и механизмы проницаемости кристаллической соли тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Почепцова, Ольга Александровна

• Почепцова, Ольга Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Почепцова, Ольга Александровна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЗАХОРОНЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В КАМЕННОЙ СОЛИ (литературный обзор)

1.1 Захоронение радиоактивных отходов в горных породах

1.1.1. Сравнение изоляционных свойств магматических, метаморфических и осадочных пород при высоких температурах и давлениях

1.2.Барьерные свойства соляных формаций

1.3. Механизм перемещения включений в кристалле соли во внешних градиентных полях

1.3.1. Движение жидкого включения в монокристалле в поле градиента механических напряжений

1.3.2. Движение газожидких включений в кристалле в поле температурного градиента

1.3.3. Перемещение жидких включений в кристалле соли при наличии температурного градиента

1.4. Влияние кристаллографической текстуры горных пород на анизотропию изоляционных свойств

1.4.1. Кристаллографическая текстура. Текстура формы

1.4.2. Основные типы кристаллографических текстур

1.5. Обоснование цели и задач исследования

Глава 2. НЕКОТОРЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ СВОЙСТВ КАМЕННОЙ СОЛИ

2.1. Экспериментальные методы исследования кристаллографической текстуры и решеточных термоупругих напряжений галоидной горной породы с помощью дифракции нейтронов на импульсном реакторе ИБР

2.2.1. Спектрометр для количественного анализа текстур (СКАТ)

2.2.2. Фурье-дифрактометр высокого разрешения (ФДВР)

2.2. Экспериментальный метод измерения анизотропии скоростей ультразвуковых волн на сферическом образце

Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ

КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

3.1. Температурные свойства соляной породы

3.2. Численный метод исследования транспортных свойств кристаллической соляной породы 41 Выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА НА ПРОНИЦАЕМОСТЬ КАМЕННОЙ СОЛИ (№С1)

4.1. Расчет температурных характеристик соляного массива в окрестности тепловыделяющего источника

4.1.1. Решение задачи в одномерном представлении

4.1.2. Расчет температурного распределения в пространстве

4.2. Вычисление верхней оценки скорости движения жидкого включения в кристаллической соли под действием заданного температурного градиента

4.3. Особенности движения жидкого включения в кристалле соли под действием градиента температуры 55 Выводы по главе

Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБРАЗЦОВ КАМЕННОЙ СОЛИ

5.1. Результаты экспериментального исследования кристаллографической текстуры и внутренних термоупругих напряжений соляных образцов

5.2. Результаты измерения анизотропии скоростей ультразвуковых волн на образцах соли при различных давлениях

5.3 Моделирование радиационных превращений в солях

5.3.1. Эксперимент с использованием ускорителя

5.3.2. Результаты исследования структуры необлучснных электронными пучками образцов каменной соли

Выводы по главе

ГЛАВА 6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изоляционные свойства и механизмы проницаемости кристаллической соли»

Актуальной и неотложной проблемой является безопасное длительное хранение и утилизация радиоактивных отходов (РАО) атомной энергетики в местах, где они не будут представлять опасности для людей и окружающей среды. Принципиально важным моментом является разработка научно обоснованных предельно допустимых критериев оценки состояния природной среды, при которых обеспечивается геоэкологическая безопасность на длительный срок (сотни лет) существования хранилищ и захоронений высокорадиоактивных отходов (BAO) и отработанного ядерного топлива (ОЯТ).

Главное требование к объектам хранения РАО - обеспечение надежной изоляции радионуклидов на период их потенциальной радиобиологической опасности. А в случае захоронения BAO этот период составляет десятки, сотни лет. Столь продолжительный срок устойчивой защиты окружающей среды может достигаться за счет мульти-барьерных систем, которые включают комплекс инженерных сооружений (контейнеров и т.д.) и вмещающие их породы (геологический барьер). Мульти-барьерная защита окружающей среды (согласно рекомендациям МАГАТЭ) требует сохранения изоляционных свойств в породах, подверженных длительному воздействию горного давления свыше 50 МПа, температуры до 300°С. В научной литературе широко освещается тематика, нацеленная на поиск наиболее подходящих горных пород, пригодных для строительства хранилищ. По результатам сравнения барьерных свойств разных типов горных пород некоторые авторы приходят к мнению, что одними из предпочтительных горно-геологических объектов являются кристаллические галоидные формации [98].

Каменная соль обладает высокой теплопроводностью, что позволит быстро отводить тепло от разогретого захоронения. Кроме того, под давлением мощных толщ вышележащих горных пород она становится высокопластичным материалом, что способствует залечиванию возникающих под действием высоких температур и давлений трещин, дефектов и нарушений. И наконец, соляная порода является одной из наиболее доступных, на разных континентах существует большое количество геологических формаций с отработанными соляными шахтами.

При оценке изоляционных характеристик среды важную роль играют процессы миграции содержащихся в ней жидких и газожидких флюидов. Тип и скорость течения флюида зависят от физико-химических свойств пород, прежде всего, от их растворимости. Важнейшей характеристикой этих свойств является проницаемость. Этот параметр количественно определяет изоляционные свойства среды.

Исследованию проницаемости горных пород посвящено большое количество зарубежных и отечественных теоретических и экспериментальных работ. Авторами - [36, 37, 73 и др.] достаточно подробно изучен процесс флюидопроницаемости среды, обусловленный наличием в ней свободного пространства, представленного порами и трещинами. Это основной механизм проницаемости трещино-пористой среды. Он основан на представлении, что движение флюида осуществляется как по трещинам, так и через поры; флюиды по пути своего движения периодически переходят из трещинных каналов в свободное (поровое) пространство вмещающих пород и наоборот. Этими же авторами было исследовано влияние расположения трещин на проницаемость трещинно-пористой среды. Были получены численные решения задачи фильтрации для моделей среды с регулярной системой параллельных не сообщающихся трещин [36, 37]. В частности, было показано, что значения эффективной проницаемости для шахматного и коридорного расположения трещин можно рассматривать как соответственно верхнюю и нижнюю границы интервала оценочных значений проницаемости трещинно-пористой среды. Кроме того, упомянутыми авторами были разработаны экспериментальные методы для измерения проницаемости среды. В монографии [73] приведены результаты исследований трещинопористой проницаемости горных пород при температурах до 600°С и эффективных давлениях до 200 МПа.

В работах - [77, И, 12, 524, 96 и др.] исследовался другой физический механизм проницаемости, характерный для хорошо растворимых в воде кристаллических пород, находящихся во внешних тепловых градиентных полях. Данный механизм заключается в том, что жидкое включение самопроизвольно перемещается в кристалле в более нагретую его область. Это связано с растворением вещества кристалла на разогретой границе включения и его осаждением на противоположной стороне. Указанными авторами было проведено большое количество экспериментов по наблюдению процессов перемещения включений. В частности, ими установлено, что водные пузырьки с характерными размерами около 50 мкм, находящиеся в кристалле соли, перемещаются в поле с градиентом температуры 10-100 град/см со скоростями в интервале нескольких сантиметров в год. Кроме того, в работах - [77, 13, 96] на основании опытных наблюдений были установлены некоторые закономерности рассматриваемых процессов движения включений:

- чем больше размер включения, тем выше скорость его движения;

-движущееся включение деформируется в направлении, перпендикулярном тепловому градиенту;

- со временем включение с тыльной стороны (менее нагретой) начинает распадаться на более мелкие частицы, или большие капли* делятся на несколько маленьких.

Также экспериментально наблюдался процесс перемещения жидкого включения в кристалле в поле созданных в нем сжимающих напряжений [15].

В окрестности подземного хранилища РАО неизбежно будут возникать области повышенных температур и механических напряжений. В этих условиях следует ожидать и рост трещиноватости породы. Все это дает предпосылки для учета процессов движения содержащихся в соляной среде жидких включений, осуществляемого по двум рассмотренным механизмам проницаемости, т.е. можно ожидать преимущественного перемещения включений в сторону стенок хранилища. В случае нарастания потока включений они могут со временем сконцентрироваться в местах расположения тепловыделяющих контейнеров с отходами и способствовать обрушению стенок захоронения [39].

На данном этапе весьма актуально оценить изоляционные свойства галоидной горной породы вблизи расположения подземного хранилища РАО. При этом необходимо учесть величину проницаемости соляной породы, осуществляемой посредством двух возможных механизмов: движение включений по трещинам и порам и появление дополнительного перемещения жидких включений вдоль кристалла под влиянием градиента температуры и/или напряжения.

Основные цели и задачи работы

Целью данной работы является: проведение экспериментальных и теоретических исследований для оценки возможной потери изоляционных свойств (изменения проницаемости, трещиноватости, и др.) галоидных горных пород - потенциальных подземных хранилищ BAO - в условиях меняющихся тепловых и механических полей.

Для ее достижения был поставлен ряд задач:

Задача 1: Определить структурные и текстурные параметры образцов каменной соли методом нейтронной дифракции; оценить степень анизотропии образцов; получить и проанализировать температурные зависимости внутренних решеточных напряжений соляной породы с помощью рассеянных нейтронов.

Задача 2: Измерить анизотропию скоростей продольных ультразвуковых волн на сферических образцах соли при повышенных давлениях и оценить трещиноватость породы.

Задача 3: Рентгенографически исследовать изменения параметров решетки образцов каменной соли после облучения сильноточными электронными пучками и оценить степень радиационного влияния излучения на соляную породу.

Задача 4: Рассчитать тепловые характеристики (значения температур и тепловых градиентов) соляной породы, возникающие в окрестности теплоизлучающего источника (захоронения РАО).

Задача 5: Теоретически оценить максимально возможные скорости движения жидких включений в солях под действием градиента температуры. Исследовать основные особенности этого движения. Задача 6: На основе анализа полученных данных дать заключение и рекомендации по строительству хранилищ РАО в галоидных горных массивах.

Объекты исследования

В качестве объектов исследования использовались образцы природной каменной соли Соликамского месторождения, представленные в виде порошка (для - структурных исследований), сферических объектов диаметром 50 мм (для ультразвуковых и нейтронографических) и пластинок (для рентгенографических и ускорительных исследований свойств материала).

Методы исследования

Теоретические исследования осуществлялись численными методами. Для основных расчетов использовались уравнения математической физики: теплопроводности и диффузии. Экспериментальные решения поставленных задач были получены с помощью методов нейтронографии (дифракции тепловых нейтронов), лучевого акустического зондирования, ускорительной техники, а также рентгеноструктурного анализа.

Научная новизна

Впервые произведен учет проницаемости кристаллической соляной горной породы, осуществляемой посредством двух возможных механизмов: движение включений по трещинам и порам и появление дополнительного перемещения жидких включений вдоль кристалла под влиянием градиента температуры и напряжения.

С целью получения более полного представления об изоляционных свойствах соляной породы впервые проведены комплексные нейтронографические структурные и текстурные, рентгенографические и ультразвуковые измерения образцов кристаллической галоидной породы, а также моделирование радиационных воздействий на данный материал.

На основании данных об изменении скоростей упругих волн при различных всесторонних давлениях, а также величин плотности получена информация о невысокой пористости и трещиноватости исследуемой породы. Этот факт позволил обосновать необходимость учета механизма градиентной флюидопроницаемости.

Разработан алгоритм для расчета тепловых (значений температур и тепловых градиентов) и транспортных (максимально возможные скорости движения жидких, включений и его основные особенности) характеристик кристаллической галоидной горной породы.

Научная и практическая значимость работы

Научная ценность работы заключается в разработке алгоритма для оценки транспортных свойств кристаллической галоидной породы, дополненного экспериментальными исследованиями изоляционных характеристик среды.

На практике полученные теоретические и экспериментальные данные позволят оценить вероятное направление и величину перемещений водных включений в поле тепловых градиентов вблизи размещенных в шахте контейнеров с тепловыделяющими веществами. В результате проведенных исследований можно предложить дополнительные требования к возможным типам горных пород, используемым для размещения захоронений РАО. А именно, при планировании размещения хранилищ РАО в соляных горных выработках, зная возможные предельные температуры и механические напряжения, необходимо оценить степень и ориентацию трещиноватости породы, а также следует исключить присутствие в выбранной области большого скопления крупных (размером порядка 1 мм и выше), вытянутых жидких включений.

Основные положения, выносимые на защиту

•Результаты нейтронно-дифракционных структурных и текстурных исследований образцов природной каменной соли Соликамского месторождения. Расчет температурной зависимости в широком интервале температур (20-300 °С) внутренних решеточных напряжений.

•Результаты рентгеноструктурных исследований структурных параметров образцов галоидной породы, находящихся в двух состояниях: естественном и после процесса облучения быстрыми электронами и доказательство появления в породе после облучения дополнительных внутрикристаллических напряжений.

•Теоретическая модель процесса перемещения макроскопического жидкого включения через соляную матрицу, находящуюся в градиентном тепловом поле и проведенная в рамках модели количественная оценка транспортных свойств каменной соли. Доказательства увеличения скорости перемещения включения с ростом его размера, формоизменения (вытягивание включения в поле градиента температуры) и распада включения на более мелкие части.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации были представлены на следующих научных конференциях: VII международная конференция «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Борок, 2006; XII научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2008; XIII научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, 2009; а также на семинарах НЭО НИКС ЛНФ ОИЯИ, 2006-2009.

Материалы диссертации опубликованы в следующих научных журналах: Никитин А.Н., Кулакоеский A.JI., Родкин М.В., Юрченко O.A., Иванкина Т.И., Васин Р.Н. О некоторых механизмах проницаемости горных пород в связи с геоэкологической безопасностью хранилищ BAO. //Геофизические исследования. 2006, в. 6, с. 85-95;

Никитин А. Н, Почепцова О. А., Маттис 3. Учет тепловых и транспортных свойств кристаллической соли при проектировании хранилищ радиоактивных отходов в галоидных формациях. // Кристаллография. 2010, том 55, № 3, с. 471-479;

Почепцова O.A., Маттис З.Р., Никитин А.Н. Тепловые и транспортные особенности галоидных горных пород, возникающие вблизи размещённого в них радиоактивного источника// Научные Ведомости Белгородского государственного университета. 2009, №5(60), вып. 16, с. 111-123.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием надежных инструментов и методик, а также хорошим соответствием полученных данных уже известным, опубликованным в научной литературе.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность и признательность за доброжелательное отношение, а также за помощь в проведении исследований и подготовке диссертации А.Н. Никитину, 3. Маттизу, Р. Васину и многим другим сотрудникам лаборатории нейтронной физики ОИЯИ, а также заведующему кафедрой общей и прикладной физики НИУ «БелГУ» И.Е. Внукову.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы (107 наименований). Работа содержит 86 страниц, включая 22 рисунка и 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Почепцова, Ольга Александровна

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

Экспериментально получена зависимость внутренних напряжений образца соли от температуры. Так, при изменении температуры от 50 до 250°С решеточные напряжения меняются в диапазоне 63-119 МПа. В свою очередь, эти напряжения будут влиять на перераспределение механических градиентных полей, их локализацию или дезинтеграцию.

Проведен нейтронографический текстурный анализ образца каменной соли. Полученные полюсные фигуры указывают на относительно слабое развитие в образце кристаллографической текстуры. Измеренные скорости ультразвуковых волн подтверждают тот факт, что соляная порода находится в состоянии достаточно близком к изотропному, а так же свидетельствуют о невысокой пористости и трещиноватости.

Рассчитаны структурные параметры образцов соли, находящихся в двух состояниях (естественном и подверженном облучению электронами). Облученные образцы соли имеют отличные параметры кристаллической решетки. Можно предположить, что данные структурные отличия свидетельствуют о появлении в соли после облучения дополнительных внутренних кристаллических напряжений.

Для оценки максимальных значений скоростей движения включений в соляных формациях необходим совместный учет реальных градиентов температур и напряжений в породе.

Глава 6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Раннее были детально изучены, независимо друг от друга, два механизма проницаемости кристаллических горных пород — трещинно-пористый [37, 38, 73, 77 и др.] и «градиентный» [11, 12, 53, 96 и др.].

При практических оценках проницаемости трещинно-пористых сред [56] предполагается, что влияние трещиноватости на проницаемость описывается в основном тремя параметрами: ориентацией трещин, средней величиной их раскрытия и плотностью (объемной концентрацией) трещиноватости, которая полностью определяется по величине трещинной пористости, т.е. объемом трещинного пространства в единице объема горных пород. Кроме того, установлено, что значения проницаемости для шахматного и коридорного расположения трещин можно рассматривать как соответственно верхнюю и нижнюю границы интервала оценочных значений проницаемости трещинно-пористой среды [38].

Эксперименты по наблюдению движения жидких включений в кристаллических породах при наличии внешних градиентных полей [11, 12, 15, 53, 77, 96] позволили рассчитать возможные скорости и выявить основные закономерности этого движения. Так, при больших температурных градиентах (до • 100 град/см) перемещения могут достигать нескольких сантиметров в год.

В данной работе впервые был выполнен комплекс исследований, направленных на оценку величины проницаемости соляного массива, осуществляемой посредством двух возможных механизмов.

Кроме того, полученные теоретические и экспериментальные данные могут позволить объединить в качественную модель два физических механизма проницаемости растворимых пород, а именно, движение по трещинам и порам и процесс перемещения жидких включений породы под действием движущей силы (градиентные поля температуры и напряжения).

Существует крайне мало работ по изучению структуры и текстуры солей с помощью нейтронографии. В представленной работе для исследований породы был выбран именно этот метод, как наиболее эффективный. Анализ полученных данных о кристаллографической текстуре показал, что галоидную породу можно считать слабо анизотропной (при отсутствии ярко выраженной ориентированной трещиноватости).

Полученная в результате ультразвуковых исследований карта изолиний скоростей упругих волн в образце соли согласуется с результатами текстурных исследований и подтверждает тот факт, что соляная порода находится в состоянии достаточно близком к изотропному, а так же свидетельствует о невысокой пористости и трещиноватости. Из чего следует, что эти факторы не являются основными для проницаемости, а роль растворимости и диффузии весьма велика.

Для определения динамики движения флюидов, присутствующих в породе, недостаточно применения классических физических методов. Поэтому в данной работе было использовано экспериментальное моделирование изменения барьерных свойств солей, в частности, при радиационных воздействиях, влекущих сильный разогрев геоматериалов.

Существует большое количество математических моделей сред, пористость и проницаемость которых может быть найдена аналитически или численными методами. Самыми простыми и наглядными являются капиллярные модели [73]. Простейшая из них представляет собой пористую среду пучком прямых капилляров с постоянным диаметром. Проницаемость в этом случае определяется по формуле: = (6.1) 128 }

Где 5 - средний диаметр капилляров.

Развитием модели прямых капилляров является переход к моделям параллельного типа [73]. В них учитывается фильтрация по всем трем направлениям декартовых координат и имеется возможность задавать вариации диаметров капилляров. Пористую среду представляют в виде трех взаимно перпендикулярных, но не пересекающихся между собой групп капилляров, каждый из которых параллелен соответствующей оси координат. Если задано распределение диаметров капилляров а(3), выражение для проницаемости модели имеет вид: со

6.2) о

В серийных моделях [73] поровые каналы составлены из нескольких, соединенных последовательно капилляров различного диаметра. Методика вывода выражения для проницаемости аналогична.

В основе концепции теории гидравлического радиуса лежит замена реальной пористой среды некоей средой эквивалентной по проницаемости и состоящей из серии каналов. Так как проницаемость имеет размерность длины в квадрате, было принято допущение, что длина является характеристикой пористой среды. Характеристическая длина, существующая в эквивалентной среде, получила название гидравлического радиуса.

В основе теории эффективной среды также лежит замена реальной неоднородной пористой среды искусственной однородной. Модель строится таким образом, чтобы интегральные проницаемость и проводимость искусственной среды были равны соответственно проницаемости и проводимости реальной породы. Такая замена мотивирована тем, что проницаемость однородной среды может быть легко найдена аналитическими методами.

Для описания пороговых эффектов, возникающих при течении флюидов через малопроницаемые неоднородные пористые среды применяется теория перколяции. В настоящее время модели, основанные на аппарате теории перколяции, широко применяются в геологии. Детально положения этой теории изложены в следующей работе: [71].

Сеточные модели принадлежат к методам, которые позволяют получить достаточно надежные зависимости между распределениями раскрытия флюидолроводящих каналов, пористостью и проницаемостью. Концепция сеточных моделей основана на математической аналогии законов Ома и Дарси. Суть подхода состоит в том, чтобы определять параметры фильтрационного потока через их электрические аналоги. Для исследований используют лиюл физические, либо компьютерные модели. Эти модели представляют собой сетки различной формы, собранные из электрических сопротивлений. С развитием компьютерной техники принцип построения сетей сопротивлений стал широко использоваться в численном моделировании.

Все рассмотренные модели проницаемости являются гидромеханическими моделями и не учитывают физические процессы, возникающие при взаимодействии флюида с твердой средой. Поэтому важно развивать теорию и математическое моделирование, учитывающие физические эффекты, такие как растворение, диффузия, осаждение, кристаллизация и т.д. По этой причине в данной работе главное внимание уделено теоретическому моделированию процесса перемещения частицы флюида через кристаллическое тело под действием температурных градиентов.

Расчет температурных характеристик среды вблизи предполагаемого хранилища BAO показал, что при мощности о излучения до 100 Вт/м и начальной температуры среды 20°С максимальные температуры не превышают 90°С, а максимальный тепловой градиент при этом составляет 0.1 °С на 1 см. В условиях полученного температурного распределения вычислены максимальные скорости перемещения жидких включений. Они составляют около 1.7*10" см/год. Данные значения сопоставимы со скоростями, наблюдаемыми в экспериментах. Кроме того, для проверки достоверности примененного численного метода расчетов он был использован для выявления основных закономерностей перемещения включений. Установленные зависимости: увеличение скорости движения включений с ростом их размеров; вытягивание включений в процессе их перемещения вдоль направления, перпендикулярного тепловому градиенту; отщепление от включений с тыльной стороны более мелких объектов, — также согласуются с поведением включений, наблюдаемым на практике. Последнее может свидетельствовать о появлении- нарушений (дефектов различных размеров) кристаллической решетки соли после прохождения жидкого включения.

Экспериментально получены оценки внутренних напряжений соляной среды при различных тепловых условиях. Так, при изменении температуры от 50 до 250 °С решеточные напряжения меняются в диапазоне 63-119 МПа.

Кроме того исследованы структурные изменения кристаллической решетки образцов соли до и после облучения пучками быстрых электронов, которые указали на появление в результате воздействия излучения дополнительных решеточных напряжений. В свою очередь, эти напряжения будут влиять на перераспределение механических градиентных полей, их локализацию или дезинтеграцию.

Таким образом, максимальные скорости движения включений в случае высоких значений градиентов температур и напряжений могут быть значительной величины и представлять опасность повреждения стенок захоронения РАО.

Суммируя результаты проведенных в работе исследований, можно прийти к следующему заключению. При планировании размещения хранилищ РАО в соляных горных выработках, необходимо оценить степень и ориентацию трещиноватости породы, тепловые характеристики, а также размеры и концентрацию присутствующих в породе жидких включений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулируем основные выводы работы:

1. С помощью нейтронно-дифракционных методов проведены структурные в широком температурном диапазоне и текстурные исследования образцов природной каменной соли Соликамского месторождения. Полученные экспериментальные данные позволили вычислить характерную для данного типа породы температурную зависимость внутренних решеточных напряжений: 107 МПа (100 °С) - 119 МПа (300 °С). Данные напряжения создают в среде градиентные поля, инициирующие перемещение жидких включений вдоль породы по направлению к теплоизлучающему источнику (потенциальному хранилищу РАО). Кроме того, определенная текстура образцов свидетельствует о слабой степени анизотропии данного типа породы. По этой причине, направление движения жидких включений будет определяться ориентацией присутствующих трещин и направлениями градиентных полей.

2. Ультразвуковые исследования, проведенные на сферических образцах соли при повышенных давлениях показали, что данный образец обладает слабой трещиноватостью и пористостью, из чего следует, что основным механизмом проницаемости соли является движение присутствующих в породе жидких включений под действием градиента температур и напряжений.

3. Проведена оценка степени воздействия электронного излучения на структуру каменной соли. Выполнены рентгенографические структурные исследования галоидных кристаллических образцов, находящихся в двух состояниях: в естественном и после процесса облучения электронами на ускорителе. Установлены различия в значениях структурных параметров образцов, что свидетельствует о появлении в породе после облучения дополнительных внутрикристаллических напряжений.

4. Разработана теоретическая модель процесса перемещения жидкого включения через соляную матрицу, находящуюся в градиентном тепловом поле. Получена теоретическая оценка максимальных скоростей движения жидких включений в монокристалле ЫаСЬ под действием градиента температур, создаваемого радиоактивным источником. Для включений размерами 0.005-0.2 см, находящихся на расстоянии порядка 1 м от стенки хранилища л при интенсивности излучения 100 Вт/м (начальная температура раствора включения при этом составляет 58.45°С, постоянный внешний тепловой градиент 0.08 °С на 1 см) скорости движения лежат в диапазоне (0.2-0.5)* 10" 10 см/с. При этом скорость перемещения включения увеличивается с ростом его размеров.

5. С помощью численных методов выявлены аналогичные наблюдающимся на практике особенности движения включений в кристаллической породе под действием градиента температур: вытягивание включений в направлении перпендикулярном градиенту температуры, а также его распад с тыльной стороны на более мелкие части. Это свидетельствует о появлении нарушений (дефектов различных размеров) кристаллической решетки соли после прохождения жидкого включения.

6. При планировании размещения хранилищ РАО в соляных горных выработках, необходимо оценить степень и ориентацию трещиноватости породы, тепловые характеристики, а также размеры и концентрацию присутствующих в породе жидких включений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Почепцова, Ольга Александровна, 2011 год

1. Аксенов В. Л. Импульсные реакторы для нейтронных исследований. // ЭЧАЯ. 1995. Т. 26. №6. С. 1449-1474.

2. Аксенов В.Л., Балагуров A.M. Времяпролетная нейтронная дифрактометрия. // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. №9. С. 955-985.

3. Александров Ю.А., Шарапов Э.И., Чер Л. Дифракционные методы в нейтронной физике. М.: Энергоиздат, 1981. 216 с.

4. Беляев А.М, Иванюкевич Г.А., Куриленко В.В., Хайкович И.М. Радиоэкология. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2003.

5. Бери Л., Мейсон Б., Дитрих Р. Минералогия. М.: Мир, 1987. 592с.

6. Бетехтин В.И., Кадомцев А.Г. Эволюция микроскопических трещин и пор в нагруженных твердых телах. // ФТТ. 2005. Т. 47. №5. С. 801 -807.

7. Брайен Д. О. и др. Взаимодействие импульсных СО- и С02-лазеров с горными породами, характерными для нефтяных месторождений. I. Вынос вещества и импульс отдачи // ФиХОМ. 2004. №2. С. 16-26.

8. Бэкон Дж. Дифракция нейтронов. М.: Изд-во ин. лит-ры, 1957. 256с.

9. Воробьев A.A. Механические и тепловые свойства щелочно-галоидных монокристаллов. // М.: высшая школа, 1968, 272 с.

10. Гегузин Я.Е., Дзюба A.C., Кружанов B.C. Исследование поведения жидких включений в кристалле в поле температурного градиента. //Кристаллография, Наука, 1975, т. 20, вып. 2, с. 383-391.

11. Гегузин Я.Е., Дзюба A.C., Кружанов B.C. Движение газожидких включений в кристалле в поле температурного градиента. //Кристаллография, Наука, 1978, т.23, вып. 4, с. 880-882.

12. Гегузин Я.Е., Дзюба A.C., Кружанов B.C. О потере устойчивости формы жидкого включения, движущегося в ионном кристалле в поле температурного градиента. // УФЖ, 1975, т. 20, вып. 3, с. 488-491.

13. Гегузин Я.Е., Кривоглаз М.А. Движение макроскопических включений в твердых телах. // М.: Металлургия, 1971, 344с.

14. Гегузин Я.Е., Кружанов B.C. Движение жидкого включения в монокристалле в поле градиента напряжений. // Кристаллография, Наука, 1979, т.24, вып. 4, с. 886-888.

15. Гегузин Я.Е., Симеонов С.С., Мостовой В.М. Движение макроскопических включений в кристаллах в поле градиента температуры.//ФТТ, 1971, т.13, вып. 1,с. 100-106.

16. Гегузин Я.Е. Механизмы и кинетика преобразования формы включений в кристаллах (В кн. Проблемы современной кристаллографии). //М.: Наука, 1975, с. 110-127.

17. Голубов Б.Н. Последствия техногенной дестабилизации недр Астраханского газоконденсатного месторождения в зоне подземных ядерных взрывов/ Геоэкология, 1994, №4, с. 25-42.

18. Гуревич И.И., Тарасов JI.B. Физика нейтронов низких энергий. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1965. 608 с.

19. Дашко Р.Э. Особенности инженерно-геологического и геоэкологического изучения и оценки глинистых пород как среды захоронения радиоактивных отходов. /Сергеевские чтения №7, 2005, ГЕОС, 233-240.

20. Еремин Н.И. Неметаллические полезные ископаемые. М.: Академкнига, 2007. 459 с.

21. Захоронение радиоактивных отходов. Принципы, критерии и основные требования безопасности НП-055-04. Вестник Госатомнадзора России, №3, 2004, 62-81.

22. Иванкина Т.И., Никитин А.Н., Замятина Н.В. и др. Анизотропия архейских амфиболитов и гнейсов из разреза Кольской сверхглубокой скважины по данным нейтронографического текстурного анализа. // Физика Земли. 2004. №4. С. 1-14.

23. Иванкина Т.П., Никитин A.Ii., Телепнев A.C. и др. Влияние температуры и длительного механического теплового напряжения на деформационные, тепловые и текстурные характеристики мрамора. // Физика Земли. 2001. №1. С. 50-63.

24. Калинин В.А., Родкин М.В., Томашевская И.С. Геодинамические эффекты физико-химических превращений в твердой среде. / М., Наука, 1989, 158с.

25. Казаков А.Н. Динамический анализ микроструктурных ориентировок минералов. Л.: Наука, 1987. 272 с.

26. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел // М.: Наука, 1964, 488с.

27. Каштанов В. В., Сапрыкин А. В. Генерация мощных электрических импульсов // Теор. физика. 2007. №8. С. 188-200.

28. Кириллов A.C., Хайнитц Й. Визуальный экспресс-анализ экспериментальных данных в процессе измерения на спектрометрах НСВР и СКАТ. // Сообщения ОИЯИ. Р13-97-219. Дубна. 1997а. 12 с.

29. Кириллов A.C., Хайнитц Й. Интерпретация процедуры эксперимента в программном комплексе систем накопления, управления и контроля спектрометров НСВР и СКАТ (задача JOIN). // Сообщения ОИЯИ. Р13-97-161. Дубна. 19976. 12 с.

30. Лаверов Н.П., Омельченко В.И., Величкин В.И. Геоэкологические аспекты проблемы захоронения радиоактивных отходов. /Геоэкология, 1994, №6, 3-20.

31. Лозовский В.Н., Попов В.П., Малибашева Л .Я. Форма жидких включений, движущихся в твердых телах. // ФТТ, 1975, т. 17, №7, с. 19031906.

32. Лопатин В.В., Камнев E.H. Подземное захоронение РАО// Атомная стратегия. 2004. № 1.

33. Мальковский В.И., Пэк A.A. Проницаемость трещинно-пористой среды с регулярной системой параллельных несообщающихся трещин. // Петрология, Наука, 1994, т. 2, №6, с. 646652.

34. Мальковский В.И., Пэк A.A. Влияние несвязанной трещиноватости на среднюю проницаемость пород при регулярном коридорном расположении несообщающихся трещин. // Петрология, Наука, 2005, т. 13, №2, с. 207-212.

35. Никитин А.Н., Кулаковский A.JI., Родкин М.В., Юрченко O.A., Иванкина Т.И., Васин Р.Н. О некоторых механизмах проницаемости горных пород в связи с геоэкологической безопасностью хранилищ BAO. // Геофизические исследования. 2006, в. 6, с. 85-95.

36. Никитин А.Н., Иванкина Т.И. Нейтронография в науках о Земле. Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2004, т. 35, вып.2, с. 348- 407.

37. Никитин ■ А.Н. Образование пьезоэлектрических текстур в кварцсодержащих горных породах. // Физика Земли. 1996. №10. С. 15-21.

38. Никитин А.Н., Архипов И.К. Моделирование текстурообразования в кварцсодержащих породах при температуре фазового перехода. // Физика Земли. 1992. №12. С. 29-40.

39. Никитин А.Н., Иванкина Т.И., Успенская А.Б. Состояние и перспективы использования пьезоэлектрических свойств горных пород в геологии и геофизике. Статья I. // Известия ВУЗов. Геология и разведка. 1990а. №5. С. 112-117.

40. Никитин А.Н., Иванкина Т.И., Успенская А.Б. Состояние и перспективы использования пьезоэлектрических свойств горных пород в геологии и геофизике. Статья I. // Известия ВУЗов. Геология и разведка. 19906. №7. С. 117-124.

41. Никитин А.Н., Русакова Е.И., Иванкина Т.Н. К теории образования пьезоэлектрических текстур в горных породах. // Известия АН СССР, Физика Земли. 1989. №6. С. 49-60.

42. Никитин А.Н., Маркова Г.В., Балагуров A.M., Васин Р.Н., Алексеева О.В. Исследование структуры и свойств кварца в области a-ß-перехода методами нейтронной дифракции и механической спектроскопии. // Кристаллография. 2007. Т. 52. №3. С. 450-457.

43. Никитин А. Н., Почепцова О. А., Маттис 3. Учет тепловых и транспортных свойств кристаллической соли при проектировании хранилищ радиоактивных отходов в галоидных формациях. // Кристаллография. 2010, том 55, № 3, с. 471-479;

44. Никифоров A.C., Полуэктов П.П., Поляков A.C. О миграции включений рассола в хранилище радиоактивных отходов высокого уровня активности. // ДАН СССР. — 1987, т.294, №4, с. 860864.

45. Новые методы в исследовании текстуры поликристаллических материалов. Сб. статей. Ред. Папиров И.И., Савелова Т.И. М.: Металлургия, 1985.311 с.

46. Осипов В.И., Еремина О.Н. Проблема захоронения и утилизации РАО в материалах 32 Международного геологического конгресса (Флоренция, Италия, 20-28 августа 2004). / Сергеевские чтения №7, ГЕОС, 2005, 273-278.

47. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. 584 с.

48. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. // М.: Недра, 1970, 164 с.

49. Реддер Э. Флюидные включения в минералах. // М.: Мир, 1987, 632 с.

50. Родкин М.В. Роль глубинного флюидного режима в геодинамике и сейсмотектонике. М., Нац. Геоф. Ком., 1993, 194 с.

51. Родкин М.В. Некоторые новые подходы к выбору мест сооружения хранилищ и могильников В АО. В кн.: Сергеевские чтения. Вып.6, Инженерная геология и охрана геологической среды. 2004, М., ГЕОС, 523-527.

52. Родкин М.В., Никитин А.Н., Васин Р.Н. Сейсмотектонические эффекты твердофазных превращений в геоматериалах. М.: ГЕОС, 2009. 198 с.

53. Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики. М.: Наука, 1979. 640 с.

54. Смирнов А.Н. Генерация акустических колебаний в химических реакциях и физико-химических процессах. // Российский химический журнал. 2001. Т. XLV. №1. С. 29-34.

55. Соболев Г.А., Никитин А.Н. Нейтронография в геофизике. /Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2001. Том.32. Вып.6, с. 13581404.

56. Соболев B.C. Об условиях минералообразования при ориентированном давлении. // Минерал, сб. Львовского геологического общества. 1957. №11. С. 45-51.

57. Справочник экспериментальных данных по растворимости водно-солевых систем т.З. // Д.: Химиздат, 1961, 450 с.

58. Тарасевич Ю.Ю., Константинов В.О., Аюпова А.К. Моделирование дендритного роста кристаллов соли в биологических жидкостях. // Известия Вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2001. Спецвыпуск.

59. Товбин М., Барам О. Кинетика растворения монокристаллов хлорида натрия. // Журнал Физической химии, т. XXIII, 1949, с. 406-412.

60. Уваров В.Т. и др. Получение сильноточных пучков микросекундной длительности с высоким к.п.д. Препринт ХФТИ 84-30, М. :ЦНИИатоминформ, 1984, 13 с.

61. Хелминг К. Метод геометрической аппроксимации для текстурного анализа горных пород. Физика Земли. 1993. № 3, с. 73-82.

62. Челидзе Т.Д. Теория перколяции и критерии разрушения. // Успехи механики, 1985, т.8, вып. 2, с.39-55

63. Шейдеггер А. Э. Физика течения жидкостей через пористые среды. -М.: Гостоптехиздат, 1960. 249 с.

64. Шмонов В. М., Витовтова В. М., Жариков А. В. «Флюидная проницаемость пород земной коры». М.: Научный мир, 2002. - 216 с.

65. Шубников А.В. Избранные труды по кристаллографии. М.: Наука, 1975, 556 с.

66. Aksenov V.L., Balagurov A.M., Simkin V.G. et al. Performance of the high resolution Fourier diffractometer at the IBR-2 pulsed reactor. // Journal of neutron research. 1997. V. 5. №4. P. 181-200.

67. Aksenov V.L. et al. Performance of the High Resolution Fourier Diffractometry at the Pulsed Reactor. / J. Neutron Research. 1997, 5, 181-200.

68. Anthony T.R. and Cline H.E. Thermal Migration of Liquid Droplets through Solids. // Journal of applied physics, vol. 42, №9, 1971, p. 3380-3387.

69. Balagurov A.M. High-resolution Fourier diffraction at the IBR-2 reactor. Neutron News. 2005. V. 16. №3. P. 8-12.

70. Brace W.F. Orientation of anisotropic minerals in a stress field: discussion. // Rock Deformation. Mem. Geol. Soc. Amer. 1960. №79. P. 9-20.

71. Bunge H. J. Texture Analysis in Material Science. Mathematical Methods, Butterworth, London, 1982, 330 p.

72. Cline H.E., Anthony T.R. The Migration of Liquid Droplets in Solids. //Journal of Crystal Growth, 1972, vol. 13/14, p. 790-794.

73. Dahm T., Manthei G., Eisenblatter J. Relative moment tensor of thermally induced microcracks in salt rocks. // Tectonophysics. 1998. V. 289. №1-3.P. 61-74.

74. Feldmann K., Betzl M., Kleinsteuber W. et al. Neutron time-of-flight texture analysis. //Textures and Microstructures. 1991. V. 14-18. P. 59-64

75. Frischbutter A., Janssen Ch., Scheffzuk Ch. et al. Strain and texture measurements on geological samples using neutron diffraction at IBR-2 (JINR, Dubna). // ЭЧАЯ. 2006. T. 37. №7. C. 91-128.

76. Frischbutter A., Neov D., Scheffzuk Ch. et al. Lattice strain measurements on sandstones under load using neutron diffraction. // Journal of structural geology. 2000. V. 22. №11-12. P. 1587-1600.

77. Jones D.R.H. The evolution of Liquid droplets migrating through solids.//Phil. Mag., 1974, vol. 30, №1, p. 195-201.

78. Kamb W.B. Theory of preferred crystal orientation development by crystallisation under stress. // J. Geol. 1959. V. 67. №2. P. 153-170.

79. Kern H. Effect of high-low quartz transition on compressional and shear wave velocities in rocks under high pressure. // Phys. Chem. Minerals. 1979. V. 4. №2. P. 161-171.

80. Kern H., Braun G. Deformation und Gefugeregelung von Steinsalz im Temperaturbereich 20 200 °C / Contrib. Mineral. Petrol. 1973, 40, 169-181.

81. Matthies S. On the reproducibility of the orientation function of texture samples from pole figures (Ghost phenomena), Phys. Stat. Sol. (b), 1979, 92, K135.

82. Matthies S., Vinel G. W. and Helming K. Standard Distribution in Texture Analysis, 1987-1989,Academie, Berlin, 1-3.

83. Nikitin A.N., Ivankina T.I. On the possible mechanisms of the formation of piezoelectric active rocks with crystallographic textures. // Textures and Microstructures. 1995. V. 25. P. 33-43.

84. Nikitin A.N., Ivankina T.I., Ullemeyer K. et al. Texture controlled elastic anisotropy of amphibolites from the Kola superdeep borehole SG-3 at high pressure. // Физика Земли. 2001. № 1. С. 41 -49.

85. Pigford Т.Н. Migration of brine inclusions in salt. // Nucl. Technology, 1982, v.56, №1, p. 93-101.

86. Popp T., Kern H. Ultrasonic wave velocities, gas permeability and porosity in natural and granular rock salt. Phys.Chem.Earth, 1998, 23, 373-378.

87. Popp T., Kern H. J.Geophys.Res. 2001, 106 (B3), 4061-4078.

88. Textures of geological materials. Eds. Bunge H.J., Siegesmund S., Skrotzki W. et al. DGM Informationsgesellschaft mbH, Germany, 1994. 400 pp.

89. Tiller W.A. Migration of a Liquid Zone through a Solid. // Journal of applied physics, vol. 34, №9, 1963, p. 2757-2767.

90. Tome C.N., Wenk H.-R., Kocks U.F. Texture and Anisotropy. Combridge University Press, 2000, 629 p.

91. Ullemeyer, K., Spalthoff, P., Heinitz, J. Isakov, N.N., Nikitin, A.N., Weber, K. The SKAT texture diffractometer at the pulsed reactor IBR-2 at Dubna: experimental layout and first measurements. Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. 1998, A 412/1, 80-88.

92. Ullemeyer K., Spalthoff P., Leiss B. et al. TOF texture investigation of geological samples. // Physica B. 2000b. V. 276-278. P. 878-879.

93. Wark D.A., Watson E.B. Effect of grain size on the distribution and transport of deep-seated fluids and melts. / Geoph. Res. Let., 2000, 27,N14, 20292032.

94. Wenk H.-R. Measurements of pole figures. / Preferred orientation in deformed metal and rocks: an introduction to modern texture analysis. Ed. Wenk H.-R. Academic Press, Orlando. 1985. P. 11-47.

95. Zlokazov V.B., Chernyshev V.V. MRIA a program for a full profile analysis of powder multiphase neutron-diffraction time-of-flight (direct and Fourier) spectra. //J. Appl. Cryst. 1992. v. 25. p. 447-451.