Специалисты предложили использовать в качестве базового материала каолин или белую глину, которые были смешаны с имитатором радиоактивных отходов — карбонатом стронция. Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) разработали действенный метод преобразования опасного радиоактивного изотопа стронция-90 (90Sr) в стабильную минералоподобную керамику. Эта разработка позволит сделать процесс захоронения долгоживущих отходов ядерной энергетики более безопасным и надежным. Стронций-90 является одним из самых опасных продуктов деления урана с периодом полураспада около 30 лет. Вещество обладает высокой радиотоксичностью и подвижностью, способно накапливаться в костной ткани живых организмов. Для его захоронения традиционно применяются цементирование или остекловывание, однако в этом случае увеличивается объем отходов без гарантии полной долговременной стабильности. Ученые предложили использовать в качестве исходного материала каолин или белую глину, которые смешали с карбонатом стронция (SrCO3) и подвергли обработке методом реакционного искрового плазменного спекания (R-SPS). «Искровое плазменное спекание — это современная технология, при которой порошок нагревается импульсами электрического тока под высоким давлением. Это позволяет провести процесс довольно 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, что может произойти при традиционном длительном нагреве. С помощью электронной микроскопии выяснили, что получается материал с однородной структурой и равномерным распределением стронция. Рентгенофазовый анализ подтвердил образование целевых минеральных фаз, способных надежно удерживать радионуклиды на протяжении 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 означает, что помещенное в глубокое геологическое хранилище такое вещество не станет источником загрязнения. Тем не менее, мы видим возможности для улучшения. Полученные значения скорости выщелачивания, хоть и очень низкие, пока не 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 горизонты 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.
Фото: hi-tech.mail.ru
