Исследователи из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) в сотрудничестве с другими учеными создали действенный способ переработки радиоактивного изотопа стронция-90, представляющего опасность ( 90Sr) в стабильную минералоподобную керамику. Технология основана на применении природного каолина (белой глины) и инновационного способа искрового плазменного спекания. Данная разработка способна повысить безопасность и надежность утилизации долгоживущих отходов атомной энергетики. О результатах исследования сообщается в Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry.
Стронций-90 (90Стронций-90 (Sr) является одним из наиболее опасных продуктов деления ядерного топлива. Характеризуясь высокой радиоактивностью и способностью к миграции, он может откладываться в костях живых существ, а его период полураспада приблизительно равен 30 годам. Обеспечение надёжной изоляции таких радиоактивных отходов от окружающей среды на протяжении столетий – важнейшая задача для государств, применяющих атомную энергетику. Привычные подходы, например, цементирование или остекловывание, имеют существенные ограничения: они либо приводят к увеличению массы отходов, либо не обеспечивают безоговорочной долгосрочной безопасности.
Специалисты разработали элегантное и действенное решение, основанное на каолине – распространенном природном материале (для эксперимента использовался каолин, добытый на Аухтиярском месторождении в Карело-Кольском регионе). Они соединили его с веществом, имитирующим радиоактивные отходы – карбонатом стронция (SrCO 3) — и провели обработку смеси методом реакционного искрового плазменного спекания (R-SPS).
«Искровое плазменное спекание – современная технология, основанная на нагреве порошкового материала импульсами электрического тока под высоким давлением. Благодаря этому процесс занимает небольшое время и протекает при умеренных температурах – всего 5 минут при 1000°C. При работе с каолином и стронцием был зафиксирован необычный одностадийный процесс уплотнения. В ходе химической реакции стронций не просто соединяется с глиной на механическом уровне, а включается в кристаллическую структуру двух новых минералов – стронциевого полевого шпата (SrAl 2Si2O8) и Sr-геленита (Sr2Al2SiO7)», — это позволит существенно улучшить результаты», — пояснил один из основных авторов исследования Олег Шичалин.
Применение R-SPS обеспечивает существенное преимущество в плане безопасности: благодаря высокой скорости нагрева и создаваемому давлению образец герметизируется, что исключает потерю радиоактивных элементов, которая может возникнуть при обычном длительном нагревании.
Проведенный анализ керамического материала подтвердил его высокое качество. С помощью сканирующей электронной микроскопии было установлено, что структура однородна и стронций распределен равномерно. Рентгенофазовый анализ продемонстрировал формирование необходимых минеральных фаз, которые способны удерживать радионуклиды в течение длительных геологических периодов.
Определяющим фактором стали испытания на гидролитическую устойчивость, которые показали низкую скорость вымывания ионов стронция из керамики в воду – всего 1,79 × 10⁻⁵ г/см² в сутки. При этом концентрация цезия составляла 30% от массы керамики, что является весьма значимым результатом. В течение 30 дней экспериментов из материала было вымыто лишь 0,62% общего объема стронция. Этот показатель превосходит результаты, получаемые при создании подобных материалов из чистых оксидов, и указывает на высокую эффективность удержания радионуклида.
«Состав и структура нашей керамики максимально соответствуют природным минералам, которые на протяжении миллионов лет сохраняют устойчивость в земной коре. Следовательно, при размещении в глубоком геологическом хранилище, подобное вещество не станет причиной загрязнения. Однако, мы видим возможности для совершенствования. Зафиксированные показатели скорости выщелачивания, несмотря на их крайне низкие значения, пока не в полной мере отвечают самым строгим международным требованиям. Это определяет дальнейшее направление нашей работы: мы намерены оптимизировать состав смеси и параметры спекания, чтобы добиться еще большей эффективности материала », — добавил Олег Шичалин.
Новые разработки ученых дают возможность создавать надежные и безопасные способы хранения радиоактивных отходов, применяя распространенное природное сырье и современные энергосберегающие технологии. Реализация этого проекта позволит снизить экологические опасности, обусловленные имеющимися запасами радиоактивных веществ.
В процессе создания принимали участие специалисты из 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).
Сообщение поступило из пресс-службы Дальневосточного федерального университета