Ученые лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН впервые предложили использовать наноалмазы детонационного синтеза для повышения эксплуатационных свойств получаемого при комнатной температуре минералоподобного магний-калий-фосфатного (МКФ) компаунда для отверждения и захоронения радиоактивных отходов. Добавление наноалмазов позволило снизить пористость МКФ компаунда и повысить механическую прочность, теплопроводность и устойчивость к выщелачиванию радионуклидов. Результаты работы опубликованы в журнале «Journal of Composites Science» (Fimina et al., external link, opens in a new tab2025external link, opens in a new tab) [1]external link, opens in a new tab.
Безопасное обращение с радиоактивными отходами, содержащими долгоживущие радионуклиды, остается одной из ключевых задач атомной энергетики. Перед захоронением радиоактивных отходов необходимо переводить в твердые химически- и радиационно-стойкие матрицы для предотвращения выхода радионуклидов в окружающую среду. Перспективным материалом для отверждения радиоактивных отходов является МКФ компаунд, как ранее было продемонстрировано в лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН.
В указанной работе авторы предложили вводить наноалмазы в МКФ компаунд для повышения его устойчивости. Известно, что наноалмазы являются эффективными сорбентами для радионуклидов радиоактивных отходов, обладают развитой поверхностью, устойчивостью к радиации и высоким температурам. В работе предложено использовать наноалмазы как сорбенты для предварительного выделения изотопов актинидов (239Pu, 238U) и редкоземельных элементов (на примере европия) из имитаторов жидких радиоактивных отходов с последующей их иммобилизацией в МКФ компаунд.
Показано, что оптимальным наполнением компаунда является 1 масс.% наноалмазов, а также 20 масс.% порошка волластонита, который использовали для повышения прочности компаунда. Такой компаунд представлен целевой минералоподобной фазой состава MgKPO₄*6H₂O и обладает высокими эксплуатационными характеристиками: прочность на сжатие и изгиб достигают 24 МПа и 4 МПа, соответственно, при этом кажущаяся пористость компаунда не превышает 5%.
Следует особо отметить, что введение 1 масс.% наноалмазов позволило увеличить теплопроводность МКФ компаунда – важную характеристику при иммобилизации тепловыделяющих радиоактивных отходов. Коэффициент теплопроводности МКФ компаунда, содержащего 1 масс.% наноалмазов, достигает значений, которые характерны для материалов для отверждения высокоактивных отходов.
Ключевым результатом стало значительное повышение гидролитической устойчивости компаунда: скорость выщелачивания 239Pu, 238U и Eu снизилась в 3–8 раз по сравнению с исходным компаундом. Это объясняется предварительной сорбцией радионуклидов на наноалмазах и их более надежным удержанием внутри получаемого компаунда.
«Полученные результаты демонстрируют комплексное положительное влияние детонационных наноалмазов на физико-химические свойства МКФ компаунда» - прокомментировала старший научный сотрудник лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН, кандидат химических наук Светлана Фимина.
Таким образом, использование наноалмазов для предварительной сорбции радионуклидов актинидов и продуктов деления из радиоактивных отходов с последующим отверждением в МКФ компаунд является перспективным способом повышения радиоэкологической безопасности при захоронении радиоактивных отходов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке грантаexternal link, opens in a new tab Российского научного фонда № 24-13-00430.