Разработан новый материал для хранения кюрия и редкоземельных элементов
Ученые Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) продемонстрировали возможность использования магний-калий-фосфатного компаунда для временного контролируемого хранения фракции кюрия и редкоземельных элементов, которую можно выделить из высокоактивных отходов после переработки отработавшего ядерного топлива.
Одна из главных проблем атомной энергетики — обращение с отработавшим ядерным топливом. При его переработке образуются высокоактивные отходы сложного состава, включая актиниды и продукты деления. Сейчас такие отходы остекловывают и готовят к захоронению в глубинном хранилище.
Принципиально иной, перспективный подход для будущего завода большой производительности состоит в фракционировании высокоактивных отходов — разделении отходов на отдельные фракции по радионуклидному составу. Такой подход предполагает количественное извлечение компонентов, которые возможно вернуть в ядерный топливный цикл, а также отказ от отверждения высокоактивных отходов в одной матрице. Это позволит направлять долгоживущие минорные актиниды (америций и нептуний) на трансмутацию («дожигание» в реакторах для их превращения в короткоживущие изотопы) или их использование для производства других ценных изотопов, а выделенную фракцию кюрия и редкоземельных элементов (Cm/РЗЭ) — на временное («распадное») хранение в приповерхностных хранилищах до превращения изотопов кюрия в изотопы плутония и их возврата в топливный цикл.
Для обеспечения ядерной безопасности фракцию Cm/РЗЭ необходимо «законсервировать» в устойчивом матричном материале, который должен обеспечивать надежную иммобилизацию фракции в течение примерно 100 лет при сохранении механической и гидролитической устойчивости.
В работе авторы впервые предложили использовать для иммобилизации фракции Cm/РЗЭ магний-калий-фосфатный компаунд и показали, что полученные образцы компаунда, содержащие до 6,4 мас. % смеси редкоземельных элементов как имитатора фракции Cm/РЗЭ, обладают высокими показателями качества, соответствующими нормативным требованиям к отвержденным радиоактивным отходам, в том числе водоустойчивостью, механической прочностью и устойчивостью к термическим циклам замораживания/оттаивания.
«Особое внимание в работе уделено гидролитической устойчивости компаунда. В ходе длительного испытания в течение календарного года установлено, что скорость выщелачивания неодима как имитатора поведения кюрия, а также других редкоземельных элементов (La, Ce, Sm и Gd) из образца составила не выше 1 мкг/(см2∙сут), а степень выщелачивания — около 0,2 %. Низкие скорость и степень выщелачивания редкоземельных элементов свидетельствуют об образовании в компаунде устойчивых малорастворимых фосфатных соединений, содержащих редкоземельные элементы», — рассказала один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН, кандидат химических наук Светлана Фимина.
Таким образом, подтверждена принципиальная возможность использования магний-калий-фосфатного компаунда для иммобилизации фракции Cm/РЗЭ после выделения из высокоактивных отходов с целью ее временного хранения.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда.