Ученые разработали материал и технологию для безопасного сбора и последующего долговременного хранения радиоактивных отходов. В основе — синтетический сорбент, с помощью которого из воды извлекают радиоактивный стронций. Затем всё вместе спекают в сверхплотную керамику. В таком виде отходы можно хранить долгое время. При необходимости радиоактивные элементы можно извлечь, чтобы изготовить из них полезные изделия. Например, ритэги — радиоизотопные источники электроэнергии, которые используют на космических спутниках и подводных маяках.
Чем опасен радиоактивный стронций
Ученые Дальневосточного федерального университета в кооперации со специалистами Национальной академии наук Белоруссии разработали материал и технологию для безвредного сбора радиоактивных отходов и их последующего безопасного долговременного хранения. Об этом «Известиям» рассказали в Минобрнауки РФ.
В основе разработки — синтетический цеолит. Это материал с эффектом молекулярного сита. Он имеет микропористую структуру, позволяющую ему эффективно поглощать только нужные вещества. Например, предложенный разработчиками цеолит типа NaY — это структуры с наиболее крупными «оконцами» между гранями молекулярной решетки. Такой материал эффективно поглощает ионы радиоактивного стронция-90.
— Этот изотоп — один из основных продуктов деления урана в ядерных реакторах. Он в значительных количествах накапливается в отработавшем топливе и в жидких радиоактивных отходах, которые образуются при эксплуатации и обслуживании АЭС. Главная опасность заключается в том, что этот элемент излучает бета-частицы с периодом полураспада около 29 лет, — рассказал «Известиям» научный сотрудник лаборатории ядерных технологий Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ Олег Шичалин.
Он добавил, что стронций — химический аналог кальция (оба находятся во второй группе периодической системы). Из-за чего биологические системы часто «путают» их и вместо кальция включают радиоактивный элемент в состав костной ткани. Таким образом стронций-90 оказывается вблизи от костного мозга, где происходит кроветворение. Это может способствовать развитию рака костной ткани, лейкемии (рака крови) и других онкологических заболеваний.
— Обычно, чтобы собрать опасные вещества, жидкие радиоактивные отходы пропускают через колонны с высокоселективными сорбентами. В исследовании мы показали, что NaY — идеальный коллектор для ионов стронция. Он обладает высокой емкостью и отлично «вылавливает» радиоактивные элементы даже в присутствии мешающих ионов. Например, в морской воде. В результате цеолит насыщается стронцием и образует твердую фазу, готовую к дальнейшей трансформации, — сообщил Олег Шичалин.
Как обеспечить надежное хранение радиоактивных материалов
Затем, продолжил ученый, происходит компактирование, для чего применяют технологию электроимпульсного плазменного спекания. Это метод высокоскоростного горячего прессования, который происходит посредством пропускания через материал миллисекундных импульсов тока. В результате исходную массу с радиоактивным стронцием спекают в сверхплотную керамику.
По словам специалиста, исследования подтвердили соответствие образцов требованиям, которые предъявляют к высокоактивным отвержденным отходам. Материал обладает кристаллической структурой, аналогичной природному полевому шпату.
Это один из наиболее распространенных минералов. Он составляет половину массы земной коры и входит в состав большинства горных пород, которые образованы при остывании магмы. В естественных условиях стронциевый полевой шпат (в кристаллической решетке которого кальций замещен стронцием) остается устойчивым на протяжении миллионов лет.
— В результате керамика надежно удерживает радионуклиды. В таком виде радиоактивные элементы можно хранить в течение долгого времени. Методика позволяет иммобилизовать стронций-90 в инертную и прочную керамическую форму, — уточнил Олег Шичалин.
По его мнению, при необходимости материал позволяет извлечь из него изотопы стронция, чтобы изготовить из них полезные изделия. Например, ритеги — радиоизотопные источники электроэнергии, которые снабжают удаленные объекты, такие как космические спутники, маяки и метеостанции.
Разработанная технология может быть эффективна для долговременного хранения и других радиоактивных отходов, добавил специалист.
— Важно отметить, что технология не только предлагает безопасное и надежное решение проблемы фиксации радиоактивных отходов, но и вносит вклад в развитие экологически устойчивой и эффективной атомной энергетики будущего. Ключевое преимущество подхода в том, что один и тот же материал последовательно выполняет функцию сорбента и затем — конечной матрицы для захоронения, — прокомментировал научный руководитель направления, профессор департамента ядерных технологий ИТПМ ДВФУ, академик РАН Иван Тананаев.
Это принципиально упрощает технологический цикл и существенно снижает эксплуатационные расходы, пояснил он.
— Использование таких отходов, как стронций-90, конечно, возможно и востребовано. Его используют в медицине и некоторых специфических технологиях. Например, для создания образцовых источников излучения. А также для радиоизотопных термоэлектрических генераторов энергии. Сложность заключается в подборе достойной упаковки. Она прежде всего должна быть прочной, чтобы избежать выброса радиоактивного элемента в окружающую среду, — рассказала доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой техносферной и экологической безопасности Сибирского федерального университета Татьяна Кулагина.
Предложенная технология корректно решает проблему стронция-90, который находится в радиоактивных отходах. Однако перед нами еще не готовая технология, поскольку в этих отходах есть и иные радиоактивные элементы. Прежде всего цезий. А со временем появляются продукты его распада, отметил заместитель директора Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ Георгий Тихомиров.
В связи с этим, подчеркнул он, разработку можно оценить как важный шаг к созданию технологии утилизации радиоактивных отходов, которую тем не менее еще только предстоит создать.