Исследователи Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), Сибирского федерального университата (СФУ) и Института химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХХТ СО РАН) разработали технологию, которая одновременно решает две глобальные проблемы: утилизацию опасных радиоактивных отходов и переработку миллионных тонн золы, остающейся после сжигания угля на ТЭС. Ученые нашли способ надежно «запечатывать» радиоактивный цезий-137 в прочную минералоподобную керамику, пригодную для безопасного захоронения в магматических породах.
Обеспечение безопасности при обращении с радиоактивными отходами (РАО) — одна из самых сложных задач современной науки. Изотопы цезия (¹³⁷Cs и ¹³⁵Cs) обладают высокой радиоактивностью и длительным периодом полураспада, что требует их надежной изоляции от биосферы на тысячелетия. Международная стратегия предполагает захоронение таких отходов в глубинных геологических формациях, но ключевым вопросом остается создание прочной и химически стойкой матрицы, которая предотвратит утечку радионуклидов.
Ученые Дальнего Востока и Сибири предложили экономичное решение. В качестве исходного сырья они использовали микросферы летучей золы (PM₂.₅ и PM₁₀) — мельчайшие частицы диаметром менее 10 микрон, которые в огромных количествах накапливаются на угольных электростанциях и часто рассматриваются как загрязнители воздуха. Эти алюмосиликатные микросферы по своему составу идеально подходят для создания минералов, способных удерживать цезий в своей кристаллической решетке.
«Наша идея заключалась в том, чтобы использовать золу не как отход, а как готовый прекурсор. Мы пропитали микросферы раствором, имитирующим жидкие радиоактивные отходы с цезием, и подвергли их высокотемпературной обработке. В результате химической реакции цезий не просто смешался с золой, а встроился в структуру вновь образованных минералов — поллуцита и Cs-кальсилита, которые являются природными ловушками для этого элемента», — отметил к.х.н., научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ Олег Шичалин.
Для получения финальной керамики ученые применили передовой метод искрового плазменного спекания (SPS). Эта технология позволяет спрессовывать порошок в плотный монолит при сравнительно низких температурах, что важно для предотвращения улетучивания радиоактивного цезия. В результате получается керамика с плотностью до 2,9 г/см³, обладающая исключительной механической прочностью и, главное, гидролитической стабильностью.
Эксперименты показали, что скорость утечки цезия из полученной керамики в водную среду составляет всего 10⁻⁵–10⁻⁶ г/см² в сутки. Этот показатель соответствует самым строгим российским (ГОСТ Р 50926–96) и международным стандартам (ISO 6961:1982), предъявляемым к формам отвержденных высокоактивных отходов.
«По сути, мы создали материал, который геохимически совместим с породами земной коры. Он состоит из тех же минералов, что и граниты или базальты. Это означает, что, будучи помещенным в глубокое геологическое хранилище, он будет находиться в равновесии с окружающей средой и не станет источником загрязнения на протяжении геологических эпох. Создание такого хранилища планируется в Нижнеканском гранитоидном массиве вблизи г. Железногорска в Красноярском крае. В настоящее время уже ведется строительство подземной исследовательской лаборатории по изучению возможностей финальной изоляции радиоактивных отходов 1 и 2 классов в глубокой геологической формации. Результаты нашей совместной работы — это вклад в реализацию этого проекта, которые могут стать основой для сотрудничества с НО РАО и другими заинтересованными предприятиями Росатома, — поясняет д.х.н., ведущий научный сотрудник ИХХТ СО РАН, заведующий кафедрой химии СФУ Татьяна Верещагина.
В ходе работы ученые сравнили две фракции микросфер — более мелкую (PM₂.₅) и покрупнее (PM₁₀). Выяснилось, что керамика из более крупных частиц (PM₁₀) обладает лучшими физико-механическими свойствами (плотность, твердость), в то время как материал из сверхмелкой фракции (PM₂.₅) показал более высокую гидролитическую устойчивость. Это открывает возможности для тонкой настройки свойств конечного продукта в зависимости от требований захоронения.
Разработка ученых предлагает не просто способ обезвреживания опасных изотопов, но и экологичный метод утилизации многомиллионных тонн золошлаковых отходов тепловых электростанций. Предложенная технология может стать основой для создания комплексных производств по переработке как промышленных, так и радиоактивных отходов, превращая их в безопасные и стабильные материалы.
Исследователи планируют продолжить работу, изучая возможность использования этого подхода для иммобилизации других долгоживущих радионуклидов, в частности минорных актинидов (америция, кюрия и др.), что еще больше расширит сферу применения разработки.
Результаты работы опубликованы в Journal of Environmental Management.
Источник: Минобрнауки России
