Оптимальное решение — включить их в керамико-металлическую матрицу на основе технеция

Ученые лабораторий химии технеция и химии трансурановых элементов ИФХЭ РАН совместно с коллегами из Радиевого института (ГК «Росатом») предложили метод консервации долгоживущих радиоактивных актинидов через их включение в керамико-металлическую матрицу с последующим долговременным хранением. Керамическая составляющая матрицы — оксид нептуния, металлическая — технеций, который тоже является радиоактивным отходом ядерного топливного цикла. Метод разработан для консервации нептуния, но применим и для других актинидов.

На современных радиохимических заводах долгоживущие радиоактивные изотопы технеция-99 и нептуния-237 могут выводиться в одну фракцию. Поэтому представляется разумным впоследствии не разделять их, а объединить их в единой конструкции, которая отвечала бы всем требованиям, предъявляемым к композитам для захоронения радиоактивных отходов: устойчивость к выщелачиванию, механическая прочность, способность вместить большое количество радионуклидов, разумная стоимость и технологичность. Такая композитная керметная матрица может быть захоронена в геологических формациях, которые послужат барьером для ее радиации. Механическая прочность и химическая устойчивость металлического технеция будут гарантией того, что радионуклиды не покинут предназначенное им место и не перейдут в окружающую среду, в том числе в водоносные слои.

Авторы работы показали, что керамико-металлическая матрица, содержащая технеций и нептуний в их химически наиболее устойчивой форме, отвечает всем технологическим требованиям. Металлический технеций по своим свойствам относится к благородным металлам, не окисляется на воздухе, не растворяется в воде, мало подвержен коррозии и обладает превосходными механическими свойствами. В разработанной матрице технеций формирует металлическую оболочку вокруг нептуния и препятствует его распространению, запирая его в себе. С течением времени предложенная матрица становится еще более устойчивой к воздействию окружающей среды, поскольку технеций в ходе бета-распада превращается в рутений, который сам по себе не радиоактивен и еще устойчивее к коррозии и воздействиям окружающей среды. В результате композитная керметная матрица не восприимчива к воздействию окружающей среды и может быть разрушена только механическим путем при очень сильном ударе.

Важное условие прочности такой матрицы — ее гомогенность. Фаза нептуния должна быть максимально равномерно распределена в фазе металла-технеция. Тогда после опрессовки технеций образует монолит вокруг атомов нептуния. Гомогенность распределения оксида нептуния в технеции нужна для того, чтобы при механическом повреждении матрицы в окружающую среду попадало как можно меньше оксида нептуния.

Идеальное перемешивание — на атомарном уровне — достигается с помощью синтеза индивидуальных химических соединений, в которые войдут оба элемента, и последующего восстановления их при повышенных температурах до наиболее устойчивых форм обоих радионуклидов. Авторы описали в работе новое соединение — пертехнетат нептуния (IV), в котором отношение нептуния к технецию было 1:4, а также синтезировали ранее известный пертехнетат нептуния (VI), в котором отношение нептуний—технеций составляло 1:2. При нагревании в восстановительной атмосфере с добавлением водорода нептуний из пертехнетата перешел в оксид нептуния, а технеций восстановился до металла. В результате была получена керамико-металлическая матрица с соотношением технеция и нептуния 4:1, которая продемонстрировала механическую и химическую устойчивость.

Поскольку синтез химического соединения, его очистка и последующее разложение — метод дорогой, ресурсоемкий и в конечном итоге нетехнологичный, авторы работы предложили три дополнительных способа равномерного осаждения нептуния и технеция из растворов. Осадительные методы позволили получить керметные композиты с различным отношением нептуния к технецию.

После высушивания порошки матриц были прокалены в восстановительной атмосфере, запрессованы в компактные брикеты и повторно нагреты до высоких температур. Частицы металлического технеция сплавились между собой, образовав «герметичные коробочки» для оксида нептуния. Эксперименты показали, что увеличение доли металлического технеция к нептунию в матрице свыше 4:1 не влияет на выщелачивание из нее нептуния и технеция, но повышает ее механическую прочность.

Поскольку технеций и нептуний являются радиоактивными элементами и требуют специальной защиты, для подбора осадителей и восстановителей были использованы их модельные аналоги — неодим и рений. Затем были выполнены эксперименты с целевыми радионуклидами.

Результаты работы показали, что керамико-металлическая матрица из нептуния и технеция — оптимальное решение для захоронения сразу двух радионуклидов, поскольку, во-первых, не требует их индивидуального выделения, а во-вторых, не накладывает никаких ограничений на их чистоту.

Для радиоактивных элементов с периодами полураспада в сотни тысяч и миллионы лет (211 тыс. лет для технеция-99, 2,2 млн лет для нептуния-237 и 4,6 млн лет для технеция-98) любое захоронение является не постоянным, а временным. Ни рукотворные сооружения, ни даже геологические пласты не могут гарантировать полную неприкосновенность матрицы в течение предполагаемого периода в сотни тысяч лет. Поэтому в будущем непременно встает вопрос о трансмутации этих веществ в полезные для народного хозяйства материалы. Разработанный метод изготовления керамико-металлических матриц адаптируем для применения в реакторах для переработки отходов ядерной промышленности.

Исследование выполнялось при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (программа №122011300061-3), а также ГК «Росатом».
Подготовлено при поддержке Минобрнауки