В рамках Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016 – 2020 годы и на период до 2030 года» (ФЦП ЯРБ-2) проводятся уникальные научные исследования, направленные на решение проблем отверждения средне- и высокоактивных жидких радиоактивных отходов. О перспективах использования новых магний-фосфатных матриц для отверждения ЖРО рассказывает кандидат химических наук, заведующий лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН Сергей Евгеньевич Винокуров.
- Сергей Евгеньевич, расскажите, пожалуйста, о разрабатываемой вами технологии отверждения радиоактивных отходов? В чем её особенности?
- Развитие атомной отрасли зависит от решения проблемы обращения с большим количеством жидких радиоактивных отходов (ЖРО), образующихся при функционировании ядерного топливного цикла, при выводе из эксплуатации ядерно- и радиационно-опасных объектов, а также накопленными предприятиями атомной отрасли при выполнении оборонных программ. В настоящее время в России реализуется концепция безопасного обращения с ЖРО, которая предусматривает полное прекращение сбросов отходов в открытые гидросистемы. Отходы должны быть переведены в форму, пригодную для долговременного контролируемого хранения и/или захоронения в геологических формациях и максимально безопасную для окружающей среды.
В лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН им. В.И. Вернадского проводятся исследования по изучению свойств новой минералоподобной матрицы на основе фосфата магния – аналога природного минерала струвит, отличительной особенностью которой является ее образование при комнатной температуре. Использование данной матрицы лежит в основе создаваемой новой технологии отверждения средне- и высокоактивных отходов (САО и ВАО). Магний-фосфатную матрицу иногда называют «фосфатным цементом», однако при этом следует подчеркнуть, что образующийся фосфатный компаунд имеет ряд ощутимых преимуществ перед портландцементом, в первую очередь больший объем отверждаемых ЖРО на единицу массы связующих, более высокая плотность компаунда и степень его наполнения по солям ЖРО, что позволяет до 2 раз снизить объем отвержденных форм отходов в сравнении с цементированием. Учитывая огромный объем накопленных и подлежащих отверждению ЖРО, использование предприятиями разрабатываемой нами технологии на основе магний-фосфатной матрицы позволит существенно сократить затраты на эти цели.
Особо следует подчеркнуть высокую химическую устойчивость магний-фосфатных компаундов, особенно в отношении выщелачивания актинидов, цезия и стронция при возможном контакте с водой, что обеспечивается образованием этими элементами малорастворимых фосфатных соединений. К примеру, скорость выщелачивания цезия-137 составляет менее 10-6 г/(см2•сутки), что значительно ниже действующих нормативных требований НП-019-15 к цементу (не более 10-3 г/(см2•сутки)) и соответствует таковым к стеклоподобным компаундам, получаемым при температурах около 1000 0С.
Наши работы в рамках ФЦП ЯРБ-2 направлены в первую очередь на решение проблем отверждения ЖРО новых типов, промышленный опыт обращения с которыми пока отсутствует. Актуальность работ обусловлена тем, что отверждение некоторых типов ЖРО, например, САО с высоким содержанием альфа-излучающих нуклидов, сульфатов и аммония, с использованием промышленных методов цементирования и остекловывания существующими нормативами не допускается. Использование магний-фосфатной матрицы позволяет решить проблему отверждения таких ЖРО.
- Как успешно технология внедряется на предприятиях Госкорпорации «Росатом», в первую очередь ПО «Маяк» и ФГУП «ГХК»?
- С удовлетворением можно отметить, что со стороны ведущих предприятий отрасли ПО «Маяк» и ФГУП «ГХК» наши работы нашли заинтересованность и полную поддержку. На сегодняшний день проведены успешные опытно-промышленные испытания технологии на ПО «Маяк» для отверждения различных отходов сложного химического и радионуклидного состава, в том числе накопленных на предприятии в период реализации военных программ.
В 2017 году перед нами поставлена амбициозная задача изучить возможность применения разрабатываемой магний-фосфатной матрицы для отверждения ВАО, образующихся при переработке отработавшего ядерного топлива при вводе в эксплуатацию Опытно-демонстрационного центра ФГУП “ГХК”, как альтернатива процессу остекловывания. При этом следует отметить, что возможное практическое использование магний-фосфатной матрицы для отверждения ВАО в отличие от остекловывания не требует создания массивных высокотемпературных электропечей или специальных плавителей, ликвидация которых после окончания срока эксплуатации представляет особую радиоэкологическую проблему и в настоящее время не осуществляется.
Еще одним примером эффективности магний-фосфатной матрицы являются работы, проведенные нашими коллегами из ИФХЭ РАН и ОДЦ УГР. При выводе из эксплуатации промышленных бассейнов в фосфатных компаундах было кондиционировано около 300 м3 иловых отложений, отверждение которых в цементе оказалось неэффективным.
Магний-фосфатный компаунд после отверждения имитатора ЖРО ПО «Маяк» (пульпа гидроксида железа), объем компаунда около 200- Каковы перспективы развития технологии?
- В настоящее время для отверждения ЖРО на практике могут быть использованы только битумные, полимерные, цементные и стеклоподобные компаунды, которые, как ранее отмечено, обладают целым рядом недостатков, не позволяющих их использовать для отверждения некоторых видов ЖРО сложного состава, особенно содержащих наиболее радиоэкологически опасные долгоживущие изотопы актинидов. Поэтому мы полагаем, что наша ближайшая задача состоит в доведении наших разработок по использованию магний-фосфатной матрицы до промышленной технологии, обеспечивающей надежное долговременное и экологически безопасное хранение/захоронение ЖРО различного химического и радионуклидного состава, особенно содержащих изотопы актинидов, а также получить разрешение на включение магний-фосфатной матрицы в список материалов для кондиционирования ЖРО.
Мы уверены, что разрабатываемая нами технология может найти широкое практическое применение и таким образом внести весомый вклад в решение проблемы обращения с радиоактивными отходами, которая является ключевой на пути масштабного развития атомной отрасли страны.