Ученые создали материал и технологический процесс для безопасного сбора и последующего длительного хранения радиоактивных отходов. В основе лежит синтетический сорбент, с помощью которого из воды извлекают радиоактивный стронций. После этого все компоненты спекают в сверхплотную керамическую матрицу. В таком состоянии отходы можно удерживать в течение долгого времени. При необходимости радионуклиды можно извлечь и применить для изготовления полезных изделий. Например, ритэги — радиоизотопные источники электроэнергии, применяемые на космических спутниках и подводных маяках.

Чем опасен радиоактивный стронций

Ученые Дальневосточного федерального университета в кооперации со специалистами Национальной академии наук Белоруссии создали материал и методику для безвредного сбора радиоактивных отходов и их последующего надежного длительного хранения. Об этом «Известиям» сообщили в Минобрнауки РФ.

Ключевой компонент разработки — синтетический цеолит, действующий как молекулярное сито. Его микропористая структура обеспечивает селективное поглощение требуемых веществ. Так, предложенный авторами цеолит типа NaY отличается крупными «окнами» в молекулярной решетке. Подобный материал эффективно адсорбирует 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 отметил, что стронций по химическим свойствам близок к кальцию (оба элемента находятся во второй группе периодической таблицы). Поэтому биологические системы часто ошибочно включают стронций вместо кальция в костную ткань. В результате стронций-90 оказывается рядом с костным мозгом, где образуются кровяные клетки, что повышает риск развития рака костей, лейкемии 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

Далее, по словам ученого, проводится уплотнение с использованием метода электроимпульсного плазменного спекания. Это способ быстрого горячего прессования, при котором через материал пропускают миллисекундные импульсы тока. В итоге исходную массу со связанным стронцием преобразуют в сверхплотную керамику.

Как пояснил специалист, испытания показали, что полученные образцы соответствуют требованиям, предъявляемым к высокоактивным отвержденным отходам. Материал имеет кристаллическую структуру, сходную с природным полевым шпатом.

Этот минерал широко распространен: он составляет около половины массы земной коры и входит в состав многих горных пород, образовавшихся при охлаждении магмы. В природных условиях стронциевый полевой шпат (в кристаллической решетке которого кальций замещен стронцием) остается стабильным в течение 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 из материала можно извлечь стронциевые изотопы для производства полезных изделий. В числе таких применений — ритэги, которые служат радиоизотопными источниками энергии для удаленных объектов, например космических аппаратов, маяков и метеостанций.

По словам специалиста, предложенная технология может эффективно применяться и для долгосрочного хранения иных радиоактивных отходов.

— 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.

По его словам, это принципиально упрощает технологический цикл и заметно уменьшает эксплуатационные расходы.

— 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 методика корректно решает задачу фиксации стронция-90, присутствующего в радиоактивных отходах. Однако технология пока не является окончательной, поскольку в отходах присутствуют и другие радионуклиды, прежде всего цезий, а со временем появляются и 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 полноценной технологии утилизации радиоактивных отходов, над которой еще предстоит работать.