В настоящее время атомная энергетика развивается в направлении замкнутого ядерного топливного цикла. Ключевым этапом в этом процессе является разделение делящихся материалов, извлеченных из реактора, что обеспечивает их повторное использование. Российские ученые разработали две новые технологии, позволяющие эффективно выделять опасные элементы – америций и кюрий – из отработавшего ядерного топлива. Эти инновации были представлены как важные научные достижения на Общем собрании членов Российской академии наук в декабре 2025 года и получили высокую оценку в докладе вице-президента РАН, научного руководителя химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, академика Степана Николаевича Калмыкова, лауреата премии «ВЫЗОВ» за передовые исследования в радиохимии.
Америций и кюрий классифицируются как минорные актиниды — химические элементы, за исключением плутония, расположенные после урана в Периодической таблице. Эти элементы образуются в процессе накопления в ядерном топливе и представляют значительную опасность из-за их высокой радиоактивности и продолжительного периода полураспада, особенно это свойство характерно для изотопов америция).
В настоящее время в России ядерный топливный цикл замкнут не полностью: из отработавшего ядерного топлива извлекают уран и плутоний для повторного использования в качестве ядерного топлива, которое затем возвращается в реакторы. Однако, минорные актиниды в основном остаются и накапливаются в виде радиоактивных отходов. Ввиду наличия этих опасных веществ, неиспользованные продукты требуют захоронения на протяжении как минимум 10 тысяч лет.
Существует многообещающее решение для утилизации долгоживущих минорных актинидов, таких как изотопы америция: их можно подвергать «дожиганию» в атомных реакторах с использованием быстрых нейтронов или жидкосолевых реакторах. В настоящее время эти технологии разрабатываются как в России, так и за рубежом. Однако для возвращения минорных актинидов в топливный цикл требуется индивидуальный подход к каждому из них. Так, америций можно подвергнуть «дожиганию» незамедлительно, а кюрию необходимо предварительно выдержать, чтобы он распался до плутония, после чего его можно будет использовать в реакторе. Поэтому важно не только извлекать минорные актиниды из отработавшего ядерного топлива, но и эффективно разделять их.
Подробнее об этом Степан Николаевич Калмыков рассказал корреспонденту «Научной России».
«Основная сложность, связанная с минорными актинидами, состоит в обеспечении безопасного длительного хранения отходов, образующихся после растворения отработавшего ядерного топлива, — подчеркнул радиохимик. Говоря проще, мы возвращаем в ядерный топливный цикл уран и плутоний, но остаются и другие элементы, и до недавнего времени не было ясно, что с ними делать: нептуний, америций и кюрий (с последним, впрочем, ситуация проще, так как он превращается в плутоний). Как я объясняю студентам, решение этой задачи напоминает раздельный сбор мусора – когда мы сортируем его по категориям: пластик, металл, пищевые отходы. В случае с отработавшим ядерным топливом происходит аналогичный процесс, но с использованием передовых технологий. С помощью специальных молекул можно извлечь америций из сложной смеси, образовавшейся после растворения отработавшего ядерного топлива, оставляя при этом кюрий и, например, редкоземельные элементы. В дальнейшем выделенные вещества могут получить разное применение. Часть из них можно снова добавить в топливо, где они будут служить источником энергии в реакторе. А изотопы с небольшим периодом полураспада (то есть те, которые распадаются относительно быстро), можно помещать на хранение».
Разделение америция и кюрия представляет собой сложную задачу, поскольку эти элементы обладают схожими химическими характеристиками. Однако российские исследователи уже предложили два разных метода для извлечения этих редко встречающихся актинидов из отходов ядерного топлива.
Первая технология, созданная учеными из Московского государственного университета и Российской академии наук, использует метод жидкостной экстракции. В ее основе лежит применение молекулы, временно обозначенной PhenCN, характеризующейся выдающейся способностью к разделению америция и кюрия, что превосходит показатели передовых зарубежных образцов.
«Данную технологию можно применять в компактных системах для извлечения минорных актинидов. Она позволяет выделять америций, кюрий и редкоземельные элементы из отработавшего ядерного топлива, в частности, самарий, европий и гадолиний, которые выступают в роли «нейтронных ядов» в реакторах (материалы, атомы которых активно поглощают нейтроны, что приводит к уменьшению интенсивности цепной реакции. — Примеч. корр.) », — отметил С.Н. Калмыков, выступая перед коллегами.
Второй подход предполагает использование высокоэффективной жидкостной хроматографии. В данном случае для разделения продуктов распада применяется тетраоктилдигликольамид (ТОДГА). Данная инновационная технология была разработана в «Росатоме» при участии институтов РАН и уже прошла успешные испытания на настоящих высокоактивных отходах на предприятии «Маяк». С помощью этого метода удалось извлечь 65 граммов америция-241 и америция-243 из 8 литров раствора, при этом степень извлечения элемента превысила 99,9%. С.Н. Калмыков отметил, что данная технология также готова к увеличению масштабов производства.
Степан Николаевич рассказал корреспонденту «Научной России» о принципах работы этих двух методов.
«По словам академика, все технологии разделения, находящиеся в стадии производственного тестирования, основаны либо на применении высокоселективных молекул, либо на различных технологических решениях. Один из таких методов – жидкостная экстракция. Суть его заключается в следующем: используются две жидкости, например, концентрированная азотная кислота и раствор активной молекулы в растворителе, таком как керосин. Смешивание происходит с помощью автоматизированного оборудования. В итоге, на границе раздела этих несмешивающихся фаз требуемые вещества переходят из водной фазы в органическую. После этого их можно повторно перенести из органической фазы в водную, но уже в другую. Благодаря этому процессу можно извлекать из отработавшего ядерного топлива различные продукты, такие как америций, кюрий, нептуний, европий и другие.
Аналогичные результаты можно получить с помощью хроматографии. При этом методе применяется специальная колонка, в которой активные молекулы не находятся в растворенном состоянии, а связаны с неподвижной фазой. Раствор пропускают через установку, и колонка избирательно удерживает определенные компоненты. После этого их можно последовательно вымыть и выделить в виде различных продуктов.
В зависимости от поставленных целей, для работы с растворами различной концентрации и объема можно использовать различные методы, что подчеркивает важность широкого спектра доступных технологий».
По словам С.Н. Калмыкова, переработка отработавшего ядерного топлива с глубоким разделением продуктов распада и дожиганием незначительных актинидов позволит значительно сократить период безопасного хранения радиоактивных отходов – до 300 лет. В идеальных условиях объем высокоактивных отходов первого и второго класса может уменьшиться приблизительно в 70 раз.
Источники
Комментарий С.Н. Калмыкова
Выступление С.Н. Калмыкова на Общем собрании Российской академии наук 9 декабря 2025 года.
«Страна Росатом». Кирилл Быстров. Радиохимия в эпоху двухкомпонентных систем
Фотография на предварительном просмотре: Ольга Мерзлякова / архив «Научная Россия
Источник изображения в тексте: скриншот прямой трансляции Общего собрания членов РАН в социальной сети «ВКонтакте».
Новость создана при содействии Российской академии наук