Исследовательский коллектив Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с учеными Сахалинского государственного университета (СахГУ), Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН (ИХТРЭМС КНЦ РАН), а также Института общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси (ИОНХ НАНБ), предложили эффективную инновационную технологию превращения радиоактивного стронция-90 в безопасный для хранения минералоподобный материал.
Актуальность и вызовы захоронения стронция-90
Стронций-90 — радиоактивный продукт ядерного деления, известный своей высокой радиотоксичностью и способностью легко проникать в организмы, где он встраивается в костные ткани, создавая долгосрочные риски для здоровья. Изоляция такого опасного вещества становится одной из центральных задач для отрасли атомной энергетики на всем пространстве Евразии, в том числе в России. Перевод стронция-90 в форму, устойчивую к вымыванию и дальнейшему попаданию в окружающую среду, — вопрос высшей важности для сохранения экологического баланса и минимизации последствий для будущих поколений.
Традиционные способы захоронения радиоактивных материалов, такие как остекловывание или цементирование, имеют свои ограничения. Например, остекловывание увеличивает объем захораниваемых отходов, а цементация не всегда способна гарантировать абсолютную защиту от вымывания радионуклидов на протяжении тысячелетий. По этой причине поиск новых материалов и методов хранения, способных обеспечить долгосрочную стабильность и безопасность, остается в фокусе внимания международного научного сообщества.
Каолиновая керамика — шаг вперед в вопросе изоляции радионуклидов
Коллектив исследователей ДВФУ и партнерских организаций предложил оригинальную технологию: применение каолина (природной белой глины) как основы для улавливания стронция-90 при помощи инновационной процедуры — реакционного искрового плазменного спекания (R-SPS). Такой способ позволяет оперативно и при низких температурах получить минералоподобную керамику, близкую по свойствам к природным образованиям, способным на протяжении геологических эпох удерживать опасные вещества внутри структуры.
В работе был использован натуральный каолин из Аухтиярви (Карело-Кольский регион), который смешивался с карбонатом стронция, имитирующим изотопные отходы. Смесь подвергали R-SPS — современному процессу, основанному на нагреве порошка токами высокой мощности под значительным давлением. Благодаря этому реагенты почти мгновенно (буквально за 5 минут) при температуре 1000 градусов по Цельсию превращаются в однородный материал, где стронций химически связывается в составе устойчивых минералов — полевого шпата стронциевого состава и Sr-геленита.
Безопасность, стабильность и перспективы керамики нового поколения
Описанная технология обладает эксклюзивным преимуществом: за счет высокой скорости и давления при нагреве образец мгновенно герметизируется, что исключает потери радиоактивных элементов, типичные для традиционных долгих процессов. Химическая реакция не оставляет свободного стронция; атомы встраиваются в кристаллические решетки устойчивых минералов. Это позволяет выдерживать стандартные тесты на долговременное хранение: керамика демонстрирует однородную структуру, что подтверждено электронно-микроскопическими наблюдениями, а также анализами фазового состава материала.
Рентгеноструктурный анализ наглядно показал образование целевых минеральных фаз, известных своей способностью надежно удерживать радионуклиды в течение миллионов лет. Таким образом, полученная керамика не только имитирует природные минералы по составу, но и наследует их прочность и химическую инертность, что крайне важно для безопасного захоронения ядерных отходов.
Экспериментальные показатели гидролитической устойчивости
Одним из ключевых этапов проверки эффективности новой керамики становятся испытания на гидролитическую стойкость. Ученых интересует скорость вымывания (выщелачивания) стронция при длительном контакте с водой — основной риск для долгосрочного захоронения радиоактивных материалов в недрах. Тесты показали, что за 30 дней из синтезированной керамики в водный раствор перешло менее 1 процента изначально заключенного стронция. Это значительно ниже, чем у аналогичных материалов, произведенных на основе исходных оксидов. Скорость выщелачивания составила всего около одной сотой миллиграмма на квадратный сантиметр в сутки, что считается отличным результатом среди подобных разработок.
Следует подчеркнуть: итоговые характеристики полученных образцов близки к международным стандартам, предъявляемым к переводимым в захоронение высокоактивным радионуклидам. Химический и фазовый состав образца подобен природным минералам, сохраняющим стабильность в течение миллионов лет даже в сложных условиях земной коры.
Будущее и возможности улучшения технологии
Впечатляющие результаты, достигнутые коллективом, уже сегодня открывают серьезные перспективы для внедрения этой технологии на промышленных объектах переработки радиоактивных материалов. Такой подход позволит использовать относительно недорогие и доступные компоненты, что удешевит финальную стоимость процедуры захоронения. Использование каолина делает процесс масштабируемым, а применение современных энергоэффективных методов спекания экономит ресурсы и минимизирует вредные выбросы.
Ученые также продолжают совершенствовать рецептуру смесей и параметры технологического процесса для достижения еще более высокой гидролитической стойкости и соответствия самым строгим требованиям международных регламентов. Специалисты уверены: дальнейшее развитие этого направления может полностью изменить парадигму обращения с долгоживущими радиоактивными отходами по всему миру.
Международное сотрудничество и вклад партнерских организаций
Проект был реализован в тесном взаимодействии ведущих научных групп России и Беларуси. В нем участвовали коллективы Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), Сахалинского государственного университета (СахГУ), ИХТРЭМС КНЦ РАН, ИОНХ НАНБ и другие специалисты, обладающие уникальной исследовательской базой и опытом работы в сфере материаловедения, радиохимии, а также ядерной энергетики и экологии.
Совместными усилиями учёных удалось объединить лучшие практики физико-химического анализа, методов синтеза керамических материалов и передовые подходы к контролю качества итогового продукта, что в итоге позволило предложить обществу инновационное, безопасное и долговременно стабильное решение для обращения с одним из наиболее сложных радионуклидов современности.
Информация предоставлена пресс-службой Дальневосточного федерального университета.
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
