Сотрудники Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), Сибирского федерального университета (СФУ) и Института химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХХТ СО РАН) создали технологию, позволяющую комплексно решать две актуальные мировые задачи: обезвреживание опасных радиоактивных отходов и утилизацию золы, образующейся в огромных количествах при сжигании угля на теплоэлектростанциях (ТЭС). Специалисты разработали метод надежной «капсуляции» радиоактивного цезия-137 в прочную керамику, напоминающую минерал, которая подходит для безопасного хранения в магматических породах. О результатах исследования сообщается в Journal of Environmental Management.
Решение вопросов, связанных с безопасностью обращения с радиоактивными отходами (РАО), представляет собой одну из наиболее сложных задач, стоящих перед современной наукой. Изотопы цезия, такие как ¹³⁷Cs и ¹³⁵Cs, характеризуются высокой радиоактивностью и продолжительным периодом полураспада, что обуславливает необходимость их надежной изоляции от окружающей среды на протяжении многих столетий. Согласно международной стратегии, эти отходы должны быть захоронены в глубоких геологических слоях, однако важной задачей остается разработка прочной и химически устойчивой структуры, которая исключит возможность вымывания радионуклидов.
Специалисты, работающие на Дальнем Востоке и в Сибири, разработали экономически выгодное решение. В качестве отправной точки они взяли микросферы летучей золы (PM₂.₅ и PM₁₀) – это мельчайшие частицы, размер которых не превышает 10 микрон, которые в больших объемах образуются на угольных электростанциях и нередко считаются загрязнителями атмосферы. Алюмосиликатные микросферы обладают составом, оптимальным для производства минералов, способных удерживать цезий в своей кристаллической структуре.
«Изначально мы планировали использовать золу не в качестве отхода, а в качестве исходного материала. Микросферы были пропитаны раствором, который имитировал жидкие радиоактивные отходы, содержащие цезий, после чего подверглись воздействию высокой температуры. В ходе химической реакции цезий не просто смешался с золой, а включился в структуру новообразованных минералов – поллуцита и Cs-кальсилита, которые служат естественными удерживающими средами для этого элемента », — подчеркнул кандидат наук, научный сотрудник лаборатории ядерных технологий Дальневосточного федерального университета Олег Шичалин.
Для изготовления керамики исследователи использовали современный метод искрового плазменного спекания (SPS). Данная технология позволяет формировать плотный монолит из порошка при относительно невысоких температурах, что необходимо для минимизации потери радиоактивного цезия в виде летучих веществ. В конечном итоге получают керамический материал с плотностью до 2,9 г/см³, отличающийся высокой механической прочностью и, что особенно важно, устойчивостью к гидролизу.
Проведенные исследования продемонстрировали, что скорость высвобождения цезия из полученного керамического материала в водную среду не превышает 10⁻⁵–10⁻⁶ г/см² в сутки. Полученный результат соответствует требованиям самых жестких российских (ГОСТ Р 50926–96) и международных (ISO 6961:1982) норм, устанавливаемых для затвердевших высокоактивных отходов.
«Фактически, разработанный нами материал обладает геохимической совместимостью с породами земной коры, поскольку он сформирован из тех же минералов, что и граниты или базальты. Это позволяет предположить, что при размещении в глубоком геологическом хранилище он будет находиться в состоянии равновесия с окружающей средой и не станет причиной загрязнения на протяжении геологических периодов. Планируется создание такого хранилища в Нижнеканском гранитоидном массиве, расположенном вблизи города Железногорска в Красноярском крае. В настоящее время уже строится подземная исследовательская лаборатория для изучения перспектив окончательной изоляции радиоактивных отходов 1 и 2 классов в глубокой геологической формации. Результаты нашей совместной работы представляют собой вклад в реализацию этого проекта и могут послужить фундаментом для взаимодействия с НО РАО и другими предприятиями, заинтересованными в деятельности Росатом а, — поясняет д.х.н., ведущий научный сотрудник ИХХТ СО РАН, заведующий кафедрой химии СФУ Татьяна Верещагина.
В процессе исследования специалисты провели сравнение двух фракций микросфер: мелких (PM₂.₅) и крупных (PM₁₀). Анализ показал, что керамика, изготовленная из частиц большего размера (PM₁₀), характеризуется улучшенными физико-механическими характеристиками, такими как плотность и твердость. Материал, полученный из частиц меньшего размера (PM₂.₅), продемонстрировал повышенную устойчивость к гидролизу. Это позволяет целенаправленно изменять характеристики готового продукта в соответствии с условиями его захоронения.
Новое решение, предложенное исследователями, представляет собой не только способ нейтрализации опасных изотопов, но и экологически безопасный метод утилизации огромного количества золошлаковых отходов, образующихся на тепловых электростанциях. Данная технология способна послужить фундаментом для организации комплексных предприятий по переработке как промышленных, так и радиоактивных отходов, позволяя превращать их в безопасные и устойчивые материалы.
Ученые намерены продолжить исследования, чтобы оценить, можно ли использовать этот метод для фиксации других долгоживущих радиоактивных элементов, в особенности минорных актинидов (америция, кюрия и других веществ). Это позволит существенно увеличить потенциал применения данной разработки.
Данные сведения поступили из пресс-службы Дальневосточного федерального университета