Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) разработали эффективный метод превращения опасного радиоактивного изотопа стронция-90 (90Sr) в стабильную минералоподобную керамику. Эта разработка позволит сделать процесс захоронения долгоживущих отходов ядерной энергетики более безопасным и надежным, сообщили ТАСС в Минобрнауки РФ.
Стронций-90 является одним из самых опасных продуктов деления урана с периодом полураспада около 30 лет. Вещество обладает высокой радиотоксичностью и подвижностью и способно накапливаться в костной ткани живых организмов. Для его захоронения традиционно используется цементирование или остекловывание, однако в этом случае увеличивается объем отходов без гарантии абсолютной долговременной стабильности. Ученые предложили использовать в качестве исходного материала каолин или белую глину, которую смешали с имитатором радиоактивных отходов — карбонатом стронция (SrCO3) — и подвергли смесь обработке методом реакционного искрового плазменного спекания (R-SPS).
«Искровое плазменное спекание — это передовая технология, при которой порошок нагревается импульсами электрического тока под высоким давлением. Это позволяет провести процесс очень быстро и при относительно низких температурах — всего за пять минут при 1 000 градусов. В случае с каолином и стронцием мы наблюдали уникальный одностадийный процесс консолидации. В результате химической реакции стронций не просто механически смешивается с глиной, а встраивается в кристаллическую решетку двух новых минералов — стронциевого полевого шпата и Sr-геленита», — пояснил один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ Олег Шичалин.
Высокая скорость нагрева и приложенное давление позволяют герметизировать образец, предотвращая улетучивание радиоактивных элементов, которое может произойти при традиционном длительном нагреве. С помощью электронной микроскопии выяснилось, что получается материал с однородной структурой с равномерным распределением стронция. Рентгенофазовый анализ доказал образование целевых минеральных фаз, способных надежно удерживать радионуклиды в течение геологических сроков.
Гидролитическая стойкость
Полученный материал также успешно прошел тесты на гидролитическую стойкость, то есть на скорость выщелачивания ионов стронция из керамики в водную среду. За 30 дней экспериментов из материала выщелочилось лишь 0,62% от общего объема стронция, что на порядок выше показателей, достигаемых при синтезе аналогичных материалов из чистых оксидов, уверяют ученые.
«Наша керамика по своему составу и структуре максимально приближена к природным минералам, которые миллионы лет сохраняют стабильность в земной коре. Это значит, что помещенное в глубокое геологическое хранилище, такое вещество не будет источником загрязнения. Тем не менее, мы видим пространство для улучшения. Полученные значения скорости выщелачивания, хоть и очень низкие, пока не в полной мере соответствуют самым строгим международным стандартам. Это задает направление для дальнейшей работы — мы планируем оптимизировать состав смеси и параметры спекания, чтобы сделать материал еще более совершенным», — добавил Шичалин.
В работе использовался каолин из месторождения Аухтиярви в Карело-Кольском регионе. Разработка ученых открывает новые перспективы для создания стабильных и безопасных форм захоронения радиоактивных отходов с использованием доступного природного сырья и современных энергоэффективных технологий. В работе принимали участие коллективы Сахалинского государственного университета (СахГУ), Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И. В. Тананаева Кольского научного центра РАН (ИХТРЭМС КНЦ РАН) и Института общей и неорганической химии НАН Беларуси ГНУ (ИОНХ НАНБ). Результаты работы опубликованы в Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry.
