Исследователи из ДВФУ, СФУ и ИХХТ СО РАН разработали технологию, которая помогает решить сразу две проблемы: утилизацию опасных радиоактивных отходов и переработку миллионов тонн золы с угольных ТЭС. Как сообщила порталу Наука Mail пресс-служба Минобрнауки РФ, ученые нашли способ надежно «запечатывать» радиоактивный цезий‑137 в прочную минералоподобную керамику — ее можно безопасно захоранивать в магматических породах. Результаты опубликованы в Journal of Environmental Management.
Обращение с радиоактивными отходами — сложная научная задача: изотопы цезия (137Cs и 135Cs) высокорадиоактивны и распадаются очень долго, поэтому их нужно надежно изолировать от биосферы на тысячелетия. По международной стратегии такие отходы следует захоранивать в глубинных геологических формациях, но важно создать стойкую матрицу, которая не даст радионуклидам утечь.
Предложенное учеными Дальнего Востока и Сибири решение экономично: в качестве сырья они взяли микросферы летучей золы (PM₂.₅ и PM₁₀) — мельчайшие (менее 10 микрон) частицы, которые накапливаются на угольных электростанциях и считаются загрязнителями воздуха. Алюмосиликатные микросферы по составу идеально подходят для создания минералов, удерживающих цезий в 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.
Ученые получили финальную керамику с помощью метода искрового плазменного спекания (SPS). Технология позволяет спрессовать порошок в плотный монолит при сравнительно низких температурах — это предотвращает улетучивание радиоактивного цезия. В итоге получается керамика плотностью до 2,9 г/см3: она отличается высокой механической прочностью и гидролитической стабильностью.
Эксперименты подтвердили безопасность материала: скорость утечки цезия в водную среду составляет всего 10−5−10−6 г/см2 в сутки. Этот показатель соответствует строгим российским (ГОСТ Р 50926−96) и международным (ISO 6961:1982) стандартам для 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.
Ученые сравнили две фракции микросфер — мелкую (PM₂.₅) и более крупную (PM₁₀). Оказалось, что керамика из крупных частиц (PM₁₀) прочнее и плотнее, а из сверхмелкой фракции (PM₂.₅) — лучше сопротивляется воздействию воды. Благодаря этому можно настраивать свойства материала под конкретные условия захоронения.
Разработанная технология не только обезвреживает опасные изотопы, но и помогает утилизировать миллионы тонн золошлаковых отходов ТЭС. В перспективе она может лечь в основу производств по переработке промышленных и радиоактивных отходов — с превращением их в стабильные безопасные материалы.
Исследователи планируют изучить возможность использовать этот подход для иммобилизации других долгоживущих радионуклидов, например минорных актинидов (америция, кюрия и др.), — это расширит сферу применения разработки.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что ученые нашли способ сделать зеленые батареи для водородных машин мощнее.
