Наука и технологии России

Вход Регистрация

Радиоотходы – в керамические матрицы

Учёные кафедры кристаллографии Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) создали уникальный адсорбент для удаления радионуклидов и других элементов из жидких радиоактивных отходов. По функциональным возможностям ему нет аналогов в мире. Вещество, сочетающее и ионообменные, и восстановительные свойства, способно поглощать более 50 химических элементов. Его использование позволит серьёзно продвинуться в решении проблемы захоронения радиоактивных отходов.


Испытание адсорбента. Видео кафедры кристаллографии СПбГУ

Справка:
Проект «Разработка новых композиционных нанокристаллических адсорбентов для одностадийного комплексного удаления радионуклидов из жидких радиоактивных отходов» поддержан ФЦП «Исследования и разработки» на 2007–2013 годы. Срок выполнения – с апреля 2011 по декабрь 2012 года. Объём финансирования – 4 миллиона рублей.
Статьи по исследованию:
Britvin S.N., Lotnyk A., Kienle L., Krivovichev S.V., Depmeier W. Layered hydrazinium titanate: advanced reductive adsorbent and chemical toolkit for design of titanium dioxide nanomaterials. J. Amer. Chem. Soc., 2011, 133, 9516–9525.
Britvin S.N., Korneyko Y.I., Burakov B.E., Lotnyk А., Kienle L., Depmeier W., Krivovichev S.V. Sorption of nuclear waste components by layered hydrazinium titanate: a straightforward route to durable ceramic forms. MRS Symp. Proc., 2012, 1475, 191–196.
Britvin S., Krivovichev S., Siidra O., Zolotarev A., Gurzhiy V., Spiridonova D., Depmeier W. Layered Titanates. Patent WO/2011/116788

Разгрузка реактора

В России работает 30 энергетических атомных реакторов, не считая экспериментальных энергоблоков и силовых установок кораблей атомного флота. Каждый из них требует периодической выгрузки части «выгоревшего» топлива, которое становится неспособно поддерживать цепную реакцию, необходимую для производства электроэнергии. Примерно раз в год из реактора выгружается значительная часть топливных элементов. Отработанное топливо содержит большое количество продуктов деления урана-235. Продукты деления: цезий-137, стронций-90, технеций-99, трансурановые элементы – очень опасны. Однако в отработанном топливе содержится до 95% исходного полезного урана, а также наработанного плутония. Поэтому в большинстве ядерных стран – Франции, России, Англии, Китае, Японии, Индии, а в будущем – Китае и Южной Корее – приняты или принимаются программы по переработке отработанного ядерного топлива. Цель – использовать обогащённый уран повторно. Для этого необходимо избавиться от продуктов распада. По весу их немного – процентов пять, но по активности и опасности они в миллион раз превосходят исходное топливо.

Все отходы – в стекло


Сергей_Бритвин
Сергей Бритвин: «Для отходов нужно найти какие-то формы, матрицы, чтобы их захоронить и не беспокоиться, что человечество может от них когда-то пострадать»

«С тех пор как ведётся переработка топлива, в России и США накоплены сотни тысяч тонн отходов и не прекращаются разговоры о том, что не следует хранить радиоактивные отходы (как правило, они представляют собой высокорадиоактивные водные растворы) в незаконсервированном виде, – рассказывает Сергей Бритвин, старший научный сотрудник кафедры кристаллографии СПбГУ. – Они занимают много места и загрязняют окружающую среду. Для отходов нужно найти какие-то формы, матрицы, чтобы их захоронить и не беспокоиться, что человечество может от них когда-то пострадать».

Научный поиск в этом направлении ведётся уже лет пятьдесят. Наиболее распространённым методом стало так называемое остекловывание (витрификация). Небольшое количество компонентов отходов можно смешивать со специальными боросиликатными или фосфатными стёклами. Потом всю полученную массу сплавляют и заливают в стальные канистры. Предполагалось, что всё это будет храниться вечно в геологических хранилищах глубоко под землёй. Но, как показало время, эти стёкла не так хороши. Они не обеспечивают достаточной степени изоляции радиоактивных отходов. Под воздействием радиации они разрушаются и превращаются в мелкокристаллическую пыль, что в значительной мере способствует выносу опасных радионуклидов в окружающую среду.

Матрицы из кристаллических материалов

Альтернативой методам остекловывания могут быть различные керамические матрицы на основе веществ, близких по составу и структуре природным минералам. Некоторые минералы, содержащие уран и торий, выдержали испытание сотнями миллионов лет и не разрушились. Идея использовать эти минералы как модели матриц для захоронения отходов появилась давно. За прошедшие годы было создано немало рецептур для консервации отходов в минералоподобные матрицы. Для их изготовления берутся оксиды металлов – допустим, титана, циркония, затем их механически смешивают с жидкими радиоактивными отходами, потом выпаривают, ещё раз гомогенизируют, прессуют в керамические блоки и прокаливают для долговременного хранения. Рецептуры есть хорошие (например, керамики SYNROC), но сам процесс отверждения и захоронения чрезвычайно затратный из-за сложности гомогенизации исходных компонентов и многостадийности (отходы же высокоактивные). Поэтому SYNROC до сих пор не внедрён в промышленности.

Оставалась актуальной проблема поиска первичного вещества, которое могло бы адсорбировать, или захватывать, сразу множество радионуклидов. Не менее важно – чтобы перевод продуктов адсорбции в керамические матрицы проходил в одну стадию. Этой целью задались учёные СПбГУ.

Открытие питерских кристаллографов


Сергей_Кривовичев
Исследования проводятся под руководством завкафедрой, лауреата президентской премии для молодых учёных Сергея Кривовичева

Учёные кафедры кристаллографии СПбГУ под руководством профессора С.В. Кривовичева, в сотрудничестве с коллегами из университета г. Киль (Германия), предложили использовать для захоронения отходов новый наногибридный материал – слоистый титанат гидразиния LHT-9. LHT-9 способен захватывать из водных растворов около половины химических элементов таблицы Менделеева. Обладает высокой сорбционной ёмкостью – на килограмм вещества может быть поглощено более 100 граммов радионуклидов и сопутствующих им нерадиоактивных элементов.

«Особенность нашего адсорбента в том, что он не селективен, – отмечает Сергей Бритвин. – Большинство адсорбентов, которые сейчас используются, селективны – могут захватывать, например, только стронций или цезий. Многими авторами это преподносится как преимущество. Но в случае с радиоактивными отходами оно оказывается большим минусом. Радиоактивные отходы многокомпонентны, содержат 20–25 различных химических элементов, в анионной и катионной форме. Поэтому нужен адсорбент, который может удалить их все. Наше вещество как раз и способно справляться с такой задачей. При этом отходы очистки из категории высокоактивных переходят в категорию средне- или низкоактивных».

Периодическая система элементов. Голубым цветом выделены элементы, адсорбируемые созданным в СПбГУ веществом (LHT-9) по механизму ионного обмена или поверхностного комплексообразования, жёлтым – путём восстановления. Красным отмечен элемент, адсорбируемый за счёт окисления

Учёные СПбГУ изобрели универсальный адсорбент, пригодный для комплексной очистки жидких радиоактивных отходов. Продукты, которые образуются при обработке отходов этим веществом, сразу же, без дополнительных манипуляций, можно переводить в керамические титанатные формы простым прокаливанием.

С оптимизмом в будущее

Дальнейшие исследования учёных связаны с надеждой на полномасштабные испытания созданного вещества. Они ищут возможности проводить опытно-технологические работы. Нужно заниматься масштабированием производства LHT-9. Кроме того, работать с реальными радиоактивными отходами. У питерских кристаллографов оказалась уникальная возможность сотрудничества с научно-технологической группой Б.Е. Буракова (кстати, выпускника геологического факультета СПбГУ) в Радиевом институте им. В.Г. Хлопина. Институт имеет свой собственный научно-экспериментальный комплекс в г. Гатчина (Ленинградская область) – более 30 лет там создают технологии переработки различных типов отработанного ядерного топлива. Это самая подходящая база для работы по очистке реальных «горячих» отходов (с удельной активностью более триллиона беккерелей на килограмм), что и планируется сделать в самом ближайшем будущем.

Кристаллическая структура LHT-9. Двойные слои из октаэдров [TiO6] (жёлтые), наполовину заполнены ионами гидразиния (синие шары – фронтальный ряд, сероватые – следующий ряд)

«Радиевый институт включил работы по нашему адсорбенту в план исследований на 2013 год, – говорит Сергей Бритвин. – Конечно, продвижение любого нового вещества, особенно в таких дорогостоящих и ресурсоёмких технологиях, не быстрое дело. Поэтому мы в данном случае не теряем оптимизма». В исследованиях активно участвуют учёные из центра наноматериаловедения Кольского филиала РАН – именно на Кольском полуострове находятся большие запасы титанового концентрата, который в настоящее время находится в «хвостах» (отходах добычи апатита), а мог бы использоваться в качестве начального материала для широкомасштабного производства адсорбента.

А – данные просвечивающей электронной микроскопии по европий-титанатной керамике, полученной прокаливанием адсорбата европия на LHT-9. (A) HAADF-STEM фото (Z-контраст): более светлые участки изображения соответствуют фазам с бóльшим средним атомным номером. Нанокристаллы пирохлора Eu2Ti2O7 (P), нарастающие на нанокристаллы рутила (R).
Б, В – энергодисперсионные спектры (нано-EDX), полученные с нанокристаллов Eu2Ti2O7 и рутила соответственно

Учёные пытаются продвигать свою разработку в других странах, в частности в Японии, где после взрыва на Фукусиме очень внимательно относятся к вопросам безопасности АЭС. Налаживают сотрудничество со специалистами из Китая.

Расходы на один цикл выгрузки 20 тонн топлива из одного реактора оцениваются в 10 миллионов долларов. На переработку топлива уходит сопоставимое или большее количество денег. При этом уже сейчас в мире накоплено по меньшей мере 300 000 тонн отработанного ядерного топлива. Созданное в Питере вещество – конечно, не цемент с точки зрения стоимости. Оно тоже недешёвое. Стоимость сырья для получения 1 тонны адсорбента составляет ~50 000 долларов, и этой тонны достаточно для захоронения отходов из полутора тонн отработанного топлива. Чем больше будут масштабы производства, тем дешевле будет вещество. Но это, вероятно, дело будущего.

РЕЙТИНГ

4.62
голосов: 13

Галереи

Землетрясение у острова Хонсю (Япония)

11 марта в океане у восточного побережья острова Хонсю произошло землетрясение магнитудой 9 - сильнейшее за всю историю наблюдений страны. Затем последовала серия цунами, с максимальной высотой волны 10 метров. По последним данным, погибло и пропало без вести 5000 человек. Главный удар приняли на себя города префектуры Мияги.

9 фото

Обсуждение