13 октября 2016

"Урановое" открытие химиков из МГУ сделает реакторы стабильнее

Ученые из Московского университета научились определять то, как много урана и кислорода содержит ядерное топливо, что поможет физикам точнее предсказывать поведение ядерных реакторов по мере выработки топлива и улучшить их стабильность, говорится в статье, опубликованной в журнале Inorganic Chemistry.

Химики из МГУ под руководством Юрия Тетерина и их российские и британские коллеги разработали метод, позволяющий точно определять кислородный коэффициент урана в сложных оксидах этого металла. Информация о степени окисления урана имеет огромное научное и промышленное значение.

Как объясняют ученые, результаты работы могут быть использованы на всех этапах получения атомной энергии: от добычи урановой руды до трансмутации выгоревшего топлива, при создании матриц для захоронения радиоактивных отходов, а также для развития технологий реабилитации окружающей среды после техногенных аварий, связанных с радиоактивностью.

Вдобавок к этому, понимание того, как точно устроено ядерное топливо поможет ученым точнее предсказывать то, что будет происходить с ним внутри ядерных реакторов по мере "выгорания" урана и его превращения в набор более легких продуктов ядерного распада.

Проблема, как пишут Тетерин и его коллеги, заключается в том, что изначально ядерное топливо и все природные варианты оксида урана представляют собой не однородное вещество, а смесь из нескольких разных оксидов этого металла, в которых уран имеет разные степени окисления. По мере "сжигания" топлива соотношение долей этих окислов меняется, что, как отмечается в статье, заметно сказывается на состоянии отработавшего ядерного топлива и скорости выделения радионуклидов при его переработке.

Ученые из МГУ нашли способ достаточно точно определять степени окисления урана в оксиде и вычислять соотношение атомов кислорода и урана внутри него, наблюдая за тем, как свет взаимодействует с электронами во внешних оболочках атомов этого металла.

Используя эту методику, так называемую рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, российские химики проследили, как менялась структура таблеток, и как изменялось соотношение оксидов внутри ядерного топлива при его выработке. Этот процесс ученые имитировали, бомбардируя тонкие пленки из оксида урана лучами ксенона-129 при помощи французского ускорителя GANIL в Кане.

Как показал этот эксперимент, наблюдения за спектром самых далеких электронов в атомах урана действительно позволяет очень точно оценивать степень их окисления и наблюдать за химическими трансформациями в ядерном топливе фактически в режиме реального времени. К примеру, российские химики выяснили, что по мере выгорания ядерного топлива оно переходит из состояния, близкого к "чистому" диоксиду урана, UO2, в такой вид, когда на один атом урана приходилось примерно по 2,12 атома кислорода.

Эти данные и методика наблюдений за содержимым ядерного топлива, как надеются ученые, поможет нам лучше понимать, что с ним происходит внутри реакторов и повысить стабильность их работы.