Кристаллографы впервые провели исследование образца так называемой чернобыльской лавы — вещества, образовавшегося в подреакторном помещении разрушенного четвертого энергоблока АЭС, — и установили его нестойкость к внешним факторам и высокую реактивность. Полученные сведения пригодятся для моделирования и прогнозирования поведения материалов, возникающих после техногенных аварий. По словам специалистов, эти данные важны и для анализа трансформаций экосистемы Чернобыля, и для планирования строительства атомных электростанций. На их основании также возможно совершенствовать методы консервации разрушенных реакторов и разрабатывать более стабильные материалы для захоронения радиоактивных отходов.

Что такое «чернобыльская лава»

Научная группа, в состав которой вошли представители Санкт-Петербургского университета, Минералогического музея им. А.Е. Ферсмана РАН, Радиевого института им. В.Г. Хлопина и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, исследовала фазовый состав микрообразца так называемой чернобыльской лавы — расплава, извлеченного из подреакторного помещения №305/2 Чернобыльской АЭС. Считается, что данная зона была главным источником сильно радиоактивного расплава после аварии на станции, случившейся 26 апреля 1986 года.

Эта «лава» представляет собой продукты взаимодействия ядерного топлива (оксида урана) с циркониевыми оболочками тепловыделяющих элементов и силикатными материалами (серпентинитом и бетоном). По паропроводам расплав стек в нижние подреакторные помещения, где затвердел и приобрел внешний вид, напоминающий вулканическую лаву.

Ученые пояснили, что такую «лаву» обычно разделяют на два основных типа — черную и коричневую. Они отличаются химическим составом, в частности концентрацией урана, а также количеством включений. До сих пор не установлено, существовал ли единый расплавленный очаг, разделившийся впоследствии на слои, или же под реактором сформировались два независимых расплава разного цвета, отметили специалисты.

Кристаллографы СПбГУ вместе с коллегами исследовали также желтый налет, образовавшийся на образце в ходе его хранения в Радиевом институте с 1990 по 2011 год. По словам ученых, плотные и кажущиеся прочными образования начали разрушаться даже в условиях лаборатории, что указывает на их химическую нестабильность под воздействием окружающей среды.

— Образование вторичных минералов в виде налета связано с переходом урана из степени окисления 4+ в 6+. В природных условиях это происходит под воздействием грунтовых вод или атмосферных осадков, после чего соединения урана получают способность к миграции, что создает экологическую угрозу. В нашем случае даже не потребовалось присутствия грунтовых вод — хватило лишь атмосферной влаги. Это демонстрирует, насколько восприимчивы чернобыльские лавы к внешним воздействиям и насколько строгий контроль необходим за такими объектами для обеспечения экологической безопасности, — пояснил «Известиям» один из авторов исследования, профессор кафедры кристаллографии СПбГУ Владислав Гуржий.

Справка «Известий»

Застывшие массы укрыты двумя защитными сооружениями, возведенными над реактором. Основные — «Укрытие» (первый саркофаг, построенный после катастрофы) и Новый безопасный конфайнмент (НБК, «Арка») — массивная арочная конструкция, накрывшая первоначальное укрытие. Эти объекты были созданы для изоляции разрушенного энергоблока, сокращения выбросов радиации и защиты персонала от ионизирующего излучения. Также на территории станции сегодня существуют другие сооружения для обращения с радиоактивными отходами и хранения отработавшего ядерного топлива.

Снижается ли опасность радионуклидов в Чернобыле

Как пояснили «Известиям» в СПбГУ, после аварии на Чернобыльской АЭС пробы силикатных высокорадиоактивных расплавов были отобраны экспертами-ликвидаторами из Курчатовского и Радиевого институтов для их последующего изучения.

С течением времени опасность некоторых радионуклидов снижается из-за естественного распада, однако долгоживущие изотопы сохраняются, и именно их попадание в окружающую среду может вызвать негативные экологические последствия, отметили ученые «Известиям».

— Чтобы делать выводы о свойствах и полезном применении материала, желательно, чтобы его состав оставался неизменным. Однако при плавлении ядерного топлива внутри чернобыльского реактора произошло смешение множества компонентов: тепловыделяющих сборок, направляющих каналов, графита, бетона конструкции, электроники и проводов. В результате химическое разнообразие внутри лавы может включать тысячи соединений. И, несмотря на образование более-менее однородной смеси, каждая проба, наверняка, включает вариации, — поделился мнением доцент кафедры физически проблемы материаловедения НИЯУ МИФИ Владимир Михальчик.

По этой причине, подчеркнул он, для точных выводов требуется наращивать статистическую базу и углублять изучение этого явления. Это позволит разработать эффективные решения по ликвидации последствий подобных аварий.

Где применимы результаты исследования

Результаты исследования впервые раскрыли состав «прото-лавы» из эпицентра аварии на ЧАЭС, сообщил «Известиям» научный сотрудник лаборатории ядерных технологий Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ Олег Шичалин.

— Главный вывод — материал химически нестабилен. Всего за годы хранения в лаборатории на его поверхности образовался новый минерал — ворланит. Это доказывает, что лава обладает низкой устойчивостью к воздействию воздуха и влаги. На практике это означает серьезный долговременный риск. При контакте с водой уран и другие радионуклиды могут легко вымываться из лавы и мигрировать в окружающую среду, создавая угрозу вторичного загрязнения, — отметил специалист.

Эти сведения имеют критическое значение для моделирования последствий тяжелых аварий на АЭС, например на Фукусиме. Анализируя поведение реальных расплавов топлива, можно точнее прогнозировать их развитие на сотни лет вперед, совершенствовать методы консервации разрушенных реакторов и создавать более стойкие материалы для хранения радиоактивных отходов.

— Чернобыльская лава служит уникальным природным экспериментом, чьи уроки помогают повысить ядерную безопасность во всём мире, — подчеркнул Олег Шичалин.

Исследователи СПбГУ отметили, что полученные данные применимы для моделирования и прогнозирования поведения высокоактивных материалов, возникающих после техногенных аварий. Это важно для оценки дальнейших изменений экосистемы Чернобыля и для корректировки планов строительства современных АЭС.

Работа выполнялась с использованием инфраструктуры ресурсного центра «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Journal of Nuclear Materials.