По мнению ученых, эта разработка может помочь в создании глубоких геологических хранилищ. Одно из таких, например, планируется в Нижнеканском гранитоидном массиве вблизи Железногорска в Красноярском крае. Сейчас там строят подземную исследовательскую лабораторию для изучения возможностей финальной изоляции радиоактивных отходов 1 и 2 классов в глубокой геологической формации.
Исследователи из Дальневосточного федерального университета, Сибирского федерального университета и Института химии и химической технологии СО РАН разработали технологию, которая одновременно решает две проблемы: переработку золы от угольных ТЭС и надёжную изоляцию радиоактивного цезия-137. Этот изотоп обладает высокой радиоактивностью и длительным периодом полураспада, поэтому требует надёжной изоляции от биосферы на тысячелетия. Результаты работы опубликовал журнал Journal of Environmental Management.
В качестве исходного сырья исследователи использовали микросферы летучей золы — мельчайшие частицы диаметром менее 10 микрон. Они в огромных количествах накапливаются на угольных электростанциях и часто загрязняют воздух. Эти алюмосиликатные микросферы по своему составу идеально подходят для создания минералов, способных удерживать цезий в своей кристаллической решётке.
По словам научного сотрудника лаборатории ядерных технологий ДВФУ, кандидат химических наук Олега Шичалина, идея заключалась в использовании золы не как отхода, а как готового прекурсора. Учёные 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.
Для получения финальной керамики исследователи применили метод искрового плазменного спекания. 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 грамма на кубический сантиметр. Она обладает высокой механической прочностью и гидролитической стабильностью.
Эксперименты показали, что скорость утечки цезия из полученной керамики в водную среду составляет всего 10⁻⁵–10⁻⁶ грамма на квадратный сантиметр в сутки. Этот показатель соответствует самым строгим российским и международным стандартам, предъявляемым к формам отверждённых высокоактивных отходов.
Ведущий научный сотрудник ИХХТ СО РАН, заведующая кафедрой химии СФУ, доктор химических наук Татьяна Верещагина рассказала, что созданный материал 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 города 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», — говорит Татьяна Верещагина.
Результаты этой совместной работы могут стать основой для сотрудничества с Национальным оператором по обращению с радиоактивными отходами и другими предприятиями Росатома.
В ходе работы учёные сравнили две фракции микросфер — более мелкую (PM₂.₅) и покрупнее (PM₁₀). Керамика из более крупных частиц (PM₁₀) обладает лучшими физико-механическими свойствами: плотностью и твёрдостью. 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 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. Исследователи планируют продолжить работу, изучая возможность использования этого подхода для иммобилизации других долгоживущих радионуклидов, например минорных актинидов (америция, кюрия и других), что ещё больше расширит сферу применения разработки.
Фото: ДВФУ
Lx: 4494