Коллектив ученых Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) в кооперации со специалистами Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и Национальной академии наук Беларуси разработал инновационный материал для безопасного долговременного захоронения радиоактивных отходов. Разработка представляет особую значимость для региона в связи с планируемым строительством первой на Дальнем Востоке стационарной атомной электростанции.
В основе предложенной технологии лежит двухэтапный процесс. На первом этапе осуществляется очистка жидких радиоактивных отходов при помощи синтетического цеолита типа NaY, который эффективно сорбирует ионы радиоактивного стронция. На втором этапе насыщенный радионуклидами материал подвергается компактированию в сверхплотную керамику по технологии электроимпульсного плазменного спекания (технология также известная как Spark Plasma Sintering, SPS).
Проведенные исследования подтвердили соответствие полученных материалов строгим требованиям, предъявляемым к высокоактивным отвержденным отходам. Ключевым преимуществом разработанной керамики является ее кристаллическая структура, аналогичная природному полевому шпату, которая обеспечивает надежное удержание радионуклидов: в естественных условиях полевой шпат в стронциевой форме остается устойчивым на протяжении миллионов лет.
Для всестороннего изучения структуры и свойств полученных материалов были проведены эксперименты с использованием синхротронного излучения на источнике «КИСИ-Курчатов» в НИЦ «Курчатовский институт». Применение метода рентгеновской спектроскопии поглощения позволило детально исследовать механизм иммобилизации стронция и проследить фазовые превращения в процессе синтеза керамики. В получении экспериментальных данных на синхротроне «КИСИ-Курчатов» и их расшифровке участвовали сотрудники Молодежной лаборатории структурного материаловедения Института наукоемких технологий и передовых материалов (ИТПМ) ДВФУ.
«Разработка наглядно демонстрирует, как передовые фундаментальные исследования, подкрепленные использованием уникального аналитического оборудования класса мегасайенс, такого как синхротронный источник, напрямую способствуют решению практических задач государственного значения. Разработка материалов для критических отраслей, в частности для атомной энергетики, составляет одно из ключевых направлений научно-технологического развития России. Важно отметить, что предложенная технология обладает двойным эффектом: она не только предлагает безопасное и надежное решение проблемы фиксации радиоактивных отходов, но и вносит вклад в развитие экологически устойчивой и эффективной атомной энергетики будущего. Ключевое технологическое преимущество нашего подхода заключается в том, что один и тот же материал последовательно выполняет функцию сорбента и затем становится конечной матрицей для захоронения. Это принципиально упрощает технологический цикл и существенно снижает эксплуатационные расходы», — прокомментировал научный руководитель направления, профессор Департамента ядерных технологий ИТПМ ДВФУ, академик РАН, заместитель генерального директора по научной работе ФИЦ Кольский научный центр РАН Иван Тананаев.
Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом международном научном журнале «Separation and Purification Technology», входящем в первый квартиль (Q1) по данным Scopus.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по государственному заданию № FZNS 2024-0013, № FZNS-2023-0003. Синхротронные эксперименты проведены при содействии НИЦ «Курчатовский институт», исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП «Дальневосточный центр структурных исследований» ДВФУ.
В проекте приняли участие ученые Сахалинского государственного университета (Южно-Сахалинск), ИХТРЭМС РАН Кольского научного центра РАН (Апатиты), ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина (Москва), Хабаровского Федерального научного центра, Центра фотоники и 2D-материалов (Москва), Президиума Дальневосточного отделения РАН (Владивосток).
Напомним, строительство синхротрона РИФ ведется в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2030 годы НИЦ «Курчатовский институт» в сотрудничестве с ДВФУ. Открытие первых экспериментальных станций синхротрона планируется к 2030 году. Синхротрон сможет обеспечить уникальными научными данными пользователей из ведающих университетов и научно-исследовательских институтов Дальнего Востока. Поэтому, уже сейчас ДВФУ совместно с НИЦ «Курчатовский институт» реализуют программу подготовки высококлассных специалистов для обслуживания синхротрона, частью которой являются и Молодежные лаборатории.
