Расшифрована структура кристаллического боросиликата, способного удерживать цезий из радиоактивных отходов

Ученые Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) совместно с коллегами из Южно-Уральского федерального научного центра минералогии и геоэкологии УрО РАН и Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН исследовали процессы кристаллизации в боросиликатных стеклах — материалах, применяемых для связывания радиоактивных веществ. Полученные результаты позволят прогнозировать поведение стекломатериалов и, управляя процессом кристаллизации расплавов, создавать более надежные системы долговременной изоляции радиоактивных отходов.

Радиоактивный цезий — один из наиболее опасных продуктов, образующихся при делении урана и плутония, и проблема хранения таких отходов стоит особенно остро. Для их надежной иммобилизации традиционно используют боросиликатное стекло. Однако оно со временем может кристаллизоваться. При этом меняется его структура и способность удерживать радионуклиды. Поэтому исследование закономерностей кристаллизации и изучения структуры при фазовом разделении сложных стеклообразующих расплавов имеет не только фундаментальную, но и практическую значимость.

Авторы работы синтезировали образцы стекла с разным содержанием цезия и натрия, а затем провели их термическую обработку при разных режимах. Для того, чтобы определить сам факт кристаллизации, изучить структуру и характеристики полученных соединений, применяли методы рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, рамановской спектроскопии и термического анализа. Такой комплексный подход позволил впервые подробно описать строение и свойства новых фаз.

В результате удалось выделить несколько упорядоченных соединений цезия, формирующихся при кристаллизации стекла путем вторичного плавления с последующим медленным охлаждением до 600 ^оС. Один из них — кубический боросиликат цезия со стехиометрией лейцита CsBSi₂O₆ (Сs-боролейцит). Другой, ранее неизвестный орторомбический боросиликат цезия Cs₂B₂Si₃O₁₀, оказался первым представителем особого класса соединений с каркасной структурой, напоминающей цеолиты.

Впервые были получены рамановские спектры этих соединений, которые наглядно показывают особенности колебаний атомов в различных боросиликатных кольцах. Кроме того, исследователи показали, что скорость охлаждения расплава играет важную роль: при разных режимах кристаллизации образуются кристаллы различного состава и формы. Таким образом, появляется возможность управления процессом фракционирования расплава с целью направленного создания стеклокерамических материалов с заданными свойствами.

«Кристаллизация может быть не только угрозой целостности стекла, но и инструментом для создания прочных и устойчивых материалов», — прокомментировала один из авторов исследования, заведующая лабораторией кристаллохимии ГЕОХИ РАН, доктор химических наук Ольга Королева.

Ученые надеются, что полученные результаты позволят прогнозировать поведение стекломатериалов и, управляя процессом кристаллизации расплавов, создавать более надежные системы изоляции радиоактивных отходов. Данная работа, по мнению авторов, открывает новые возможности для разработки стеклокерамики, которая будет надежно удерживать радионуклиды, а также поможет предсказывать возможные изменения в уже существующих стекломатрицах.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России и РНФ.