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.