Специалисты Дальневосточного федерального университета совместно с российскими и белорусскими коллегами создали новый способ безопасного обезвреживания стронция-90.
Ирина Медведева
Источник фото: © Ferra.ru
Данный радионуклид отличается повышенной миграционной способностью и токсичностью, а также склонен к кумуляции в костях живых существ. В связи с этим научный коллектив работал над получением матриц, чья стабильность была бы сопоставима с природными минералами и которые обеспечивали бы прочное химическое связывание изотопа в кристаллическую решётку, сообщает Наука.mail.
Разработанный процесс позволяет преобразовать опасный изотоп в стабильный минералоподобный материал всего за пять минут. Длительная и безопасная изоляция радиоактивных веществ от окружающей среды представляет собой одну из ключевых задач для стран, использующих атомную энергетику.
Ранее применявшиеся способы утилизации
По информации Ferra.ru, ранее применявшиеся подходы обладали определёнными недостатками, такими как рост объёма отходов и недостаточная долговременная стабильность получаемых форм.
Цементирование — один из распространённых методов фиксации радиоактивных отходов, в том числе стронция-90. Технология основана на смешивании радиоактивных материалов с цементным раствором для получения твёрдого блока, ограничивающего распространение радионуклидов.
Однако метод имеет существенные минусы: значительное увеличение итогового объёма отходов; риск постепенного вымывания радионуклидов в окружающую среду, особенно в условиях высокой влажности или при нарушении целостности цементного монолита; отсутствие гарантий долгосрочной стабильности, поскольку цемент со временем может подвергаться эрозии, растрескиванию и другим видам деградации.
Остекловывание (витрификация) — процесс, при котором радиоактивные отходы смешиваются с шихтой (например, диоксидом кремния, оксидом бора) и затем расплавляются при высоких температурах с образованием стеклоподобной массы.
Этот способ обеспечивает более высокую стабильность по сравнению с цементированием, но также не лишён ограничений: сложность технологического цикла, требующего высокотемпературных режимов и строгого контроля параметров; возможность формирования неоднородностей или пор в стекломассе, что снижает её барьерные свойства; увеличение объёма отходов; не всегда достигаемое оптимальное химическое взаимодействие между радионуклидом и матрицей, что потенциально может приводить к выщелачиванию.
Таким образом, традиционные технологии не гарантировали необходимой степени изоляции стронция-90 на протяжении геологически значимых промежутков времени.
Опасный стронций побеждает белая глина за пять минут
Научная группа под руководством ДВФУ предложила решение этой проблемы для долгоживущих радионуклидов. В публикации в Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry описано превращение стронция-90 в стабильную керамику, аналогичную природным минералам.
Стронций-90 относится к числу наиболее опасных продуктов деления урана. Для этого изотопа характерны высокая подвижность и радиотоксичность, способность накапливаться в костных тканях, а его период полураспада составляет около 30 лет.
В качестве основного сырья учёные использовали доступный природный материал — каолин (белую глину) Аухтиярвинского месторождения в Карело-Кольском регионе.
После смешивания с карбонатом стронция полученная композиция была обработана методом реакционного искрового плазменного спекания (R-SPS).
Как пояснил Олег Шичалин, данная методика предполагает быстрый нагрев порошковой смеси импульсами электрического тока под давлением до температур около 1000°C всего за пять минут.
Принцип изоляции
При таком воздействии стронций не просто физически смешивается с матрицей, а вступает в химическую реакцию, включаясь в кристаллическую структуру новообразованных минералов — стронциевого полевого шпата и Sr-геленита.
Высокое давление и интенсивный нагрев обеспечивают герметизацию конечного образца, сводя к минимуму возможный выход радиоактивных компонентов. Анализ полученного керамического материала подтвердил его структурную однородность. Скорость выщелачивания стронция в водную среду составила 1,79·10⁻⁵ грамма на квадратный сантиметр в сутки. В ходе 30-дневного эксперимента из материала выделилось лишь 0,62% радионуклида.
Олег Шичалин отметил, что полученная керамика по составу и структуре аналогична природным минералам, сохраняющим стабильность в геологических формациях на протяжении миллионов лет.
Научная группа продолжает работу для приведения результатов в соответствие со всеми международными стандартами: планируется оптимизировать состав исходной смеси и параметры спекания для дальнейшего совершенствования материала.
Тема защиты окружающей среды — всегда фокусе внимания журнала «Химагрегаты». Так в одной из статей мы представили фотокатализатор, способный с использованием солнечного света разлагать устойчивые полифторалкильные вещества (ПФАВ) в окружающей среде.