Ученые предложили эффективный метод захоронения радиоактивного стронция-90

Исследователи Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами из Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН и Института общей и неорганической химии НАН Беларуси разработали эффективный метод связывания опасного радиоактивного изотопа стронций-90 в стабильной минералоподобной керамике. В основе технологии — использование природного каолина (белой глины) и инновационного метода искрового плазменного спекания. Эта разработка обещает сделать процесс захоронения долгоживущих отходов ядерной энергетики более безопасным и надежным.

Стронций-90 (90Sr) — один из самых опасных продуктов деления урана. Обладая высокой радиотоксичностью и подвижностью, он способен накапливаться в костной ткани живых организмов, а его период полураспада составляет около 30 лет. Надежная изоляция таких отходов от биосферы на сотни лет — критическая задача для всех стран, использующих атомную энергию. Традиционные методы, такие как цементирование или остекловывание, имеют недостатки — они либо увеличивают объем отходов, либо не гарантируют абсолютной долговременной стабильности.

Авторы исследования предложили изящное и эффективное решение, используя в качестве исходного материала каолин — доступное природное сырье (в работе использовался каолин из месторождения Аухтиярви в Карелии). Они смешали его 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 5 минут при 1000 °C. 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 (SrAl2Si2O8) и Sr-геленита (Sr2Al2SiO7)», — 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 полученный материал обладает однородной структурой с равномерным распределением стронция. Рентгенофазовый анализ доказал образование целевых минеральных фаз, способных надежно удерживать радионуклиды в течение геологических сроков.

Полученный материал также успешно прошел тесты на гидролитическую стойкость — 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 лучше показателей, достигаемых при синтезе аналогичных материалов из чистых оксидов, отмечают 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 Олег Шичалин.

По оценкам исследователей, разработка открывает новые перспективы для создания стабильных и безопасных форм захоронения радиоактивных отходов с использованием доступного природного сырья и современных энергоэффективных технологий.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации