Разработан способ синтеза композитных керамик для иммобилизации стронция-90

Арктика содержит богатые залежи медно-никелевых и агрохимических руд, олова, платиноидов, редких и редкоземельных элементов, золота, алмазов, вольфрама, ртути, черных металлов, оптического сырья и поделочных камней. Их могли бы добывать намного интенсивнее при достаточном развитии торговых путей и сопутствующей инфраструктуры на Северном морском пути.

В 2024 году по Севморпути переместили до 38 миллионов тонн грузов. После спуска на воду атомного ледокола проекта 22220 «Чукотка» на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге 6 ноября 2024 года президент России Владимир Путин заявил: этот путь привлекателен не только для российских перевозчиков, но и для наших партнеров за рубежом, что внесет существенный вклад в развитие транспортной инфраструктуры нашей страны.

К 2030 году по Северному морскому пути планируется перевезти более 100 миллионов тонн, но для этого необходимо обеспечить навигационное сопровождение судов за счет новых навигационных и радиомаяков, световых знаков и автоматических метеостанций. Питание этой аппаратуре нужно автономное, от радиационных источников тока – такие источники обеспечивали и будут обеспечивать накопление и преобразование электрической энергии вдоль всего Севморпути от побережий Сахалина, Курильских островов, Чукотки и Саха Якутии до островов Баренцева и Белого морей.

Наиболее перспективны РИТ-90 – радиационные источники тока на основе изотопа стронция-90. Это закрытый источник излучения, в котором в качестве активной композиции используют, например, керамический ⁹⁰SrTiO₃ или стронциевое боросиликатное стекло, находящиеся в капсуле. Хотя капсула с активной зоной и защищена от внешних воздействий, сложившаяся система обращения с РИТ-90 не позволяет обеспечить его физическую защиту. Авария, несанкционированное извлечение или террористический акт ведут к полному разрушению РИТ-90, что может привести к переоблучению и гибели оператора и населения. Выходя во внешнюю среду, в том числе в морскую акваторию, стронций-90 по пищевой цепочке «донные микроорганизмы – водоросли – рыба» поступает в организм человека, что официально подтверждает МАГАТЭ.

Действующая с 1991 года программа «Совместное сокращение угрозы» Конгресса США рассматривает РИТы как угрозу распространения радиоактивных материалов для создания «грязной бомбы», а МАГАТЭ относит их к категории высокого риска. И не случайно – период полураспада стронция-90 составляет 29 лет, а активность активной зоны РИТ-90 на момент изготовления – 180 кKи, что оставляет опасным его действие в течение более 1000 лет.

Для cеверных и дальневосточных территорий СССР было выпущено более тысячи радиоизотопных термоэлектрических генераторов различных типов с начальной активностью до 465 кКи тепловой мощностью до 2200 Вт и генерируемой выходной электрической мощностью до 180 Вт. Развал Советского Союза привел к потере контроля над хранением данных генераторов, и за 20 лет случилось более 20 инцидентов с выходом радиоактивности в окружающую среду, смертельных случаев со взрослыми и детьми.

Обеспечить безопасное использования автономных закрытых источников излучения можно, если для них появятся недиспергируемые, механически прочные матрицы активных зон, которые обеспечивают полную безопасность даже в случае аварии с их попаданием в объекты окружающей среды, в том числе, в морскую воду.

Для решения этой задачи ученые Дальневосточного федерального университета и Кольского научного центра РАН провели фундаментальные исследования, ориентированные на поиск таких матриц для активных зон РИТ на основе стронция-90 и цезия-137, которые обладали бы низкой скоростью выщелачивания под воздействием пресной и морской воды, и создание их перспективным методом импульсного плазменного спекания. Руководили исследованиями заведующий Лабораторией ядерных технологий ДВФУ Евгений Папынов и заместитель генерального директора КНЦ РАН, директор Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья КНЦ РАН Иван Тананаев.

Основа метода – консолидирование порошковых материалов за счет высокоскоростного разогрева и уплотнения, опережающих активный рост зерна. При этой технологии спекание происходит за счет внутренней тепловой энергии материала, в то время как при традиционных способах требуется сообщить необходимую энергию эффекта Джоуля извне, что требует многочасовой выдержки. Применяемый электрический ток импульсного типа создает условия равномерного распределения тепла по образцу, в том числе независимо от природы спекаемого порошкового материала (проводники или диэлектрики), что позволяет получать многокомпонентные композиты.

В качестве матрицы для иммобилизации стронция-90 перспективны керамические аналоги природных минералов, которые способны включать радионуклиды в свою кристаллическую структуру. Ученые приготовили порошковые смеси для четырех образцов керамических материалов со структурами шеелита SrWO₄, полевого шпата SrAl₂Si₂O₈, перовскита SrTiO₃ и повелита SrMoO₄, исследовали их структурные и физико-химические свойства, а также гидролитическую устойчивость.

Полученная керамика имеет сложный фазовый состав. Поэтому для уточнения фазообразования в процессах получения упомянутых материалов был применен передовой метод дифрации синхротронного рентгеновского излучения, включающий фазы циркония и титаната пирохлора. По данным рентгеноструктурного анализа «in situ» на синхротронном излучении определены оптимальные температурные режимы получения матрицы высокого качества.

Скорость выщелачивания ионов стронция, матричных компонентов, соответствует требованиям ГОСТ и ANSI/ANS 16.1 для отвержденных высокоактивных отходов. Исследователи смогли установить, что при выщелачивании глубина диффузии ионов из объема к поверхности керамики минимальна. Все образцы имеют высокую твердость и плотность и однородную непористую структуру.

В кристаллических структурах матриц образовались прочные химические связи, что говорит о перспективности использованного метода для получения керамики с высокой потенциальной надежностью для долговременной иммобилизации радионуклидов.

Результаты работы опубликованы в журналах Ceramics International, Journal of Radioanalytical & Nuclear Chemistry, Coatings, Journal of Composites Science, Materials. В течение прошедших трех лет их включали в Доклад Президента РАН о важнейших научных достижениях российских ученых к Общему собранию РАН.

КНЦ РАН

86 статей

Кольский научный центр Российской академии наук (бывший Кольский филиал Академии наук СССР) имени С. М. Кирова, объединение научных учреждений РАН на Кольском полуострове.

Показать больше