Современная атомная энергетика движется в сторону замыкания ядерного топливного цикла. Важная составляющая этой работы — разделение делящихся компонентов, извлеченных из реактора, дающее возможность использовать их повторно. Две новые технологии, позволяющие эффективно разделять опасные элементы из облученного ядерного топлива — америций и кюрий — создали отечественные ученые.
Инновации вошли в число значимых исследовательских результатов, представленных на Общем собрании членов Российской академии наук в декабре 2025 г.: их отметил в своем докладе вице-президент РАН, научный руководитель химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, лауреат премии «ВЫЗОВ» за передовые исследования в радиохимии академик Степан Николаевич Калмыков.
Америций и кюрий относятся к минорным актинидам — химическим элементам (кроме плутония), которые находятся в Периодической таблице после урана. Они входят в число продуктов, накапливающихся в ядерном топливе, и весьма опасны, поскольку обладают высокой радиоактивностью и длительным периодом полураспада (прежде всего, это относится к изотопам америция).
Сейчас ядерный топливный цикл в нашей стране замкнут частично: из облученного ядерного топлива извлекаются уран и плутоний, из которых снова производится ядерное топливо, которое возвращается в реакторы, а минорные актиниды в основном накапливаются в виде радиоактивных отходов. Из-за этих опасных компонентов оставшиеся невостребованными продукты приходится захоранивать на сроки не менее 10 тыс. лет.
Для проблемы таких долгоживущих минорных актинидов, как изотопы америция, уже есть перспективное решение — «дожигать» их в атомных реакторах на быстрых нейтронах или жидкосолевых реакторах: сегодня эти технологии находятся на этапе разработки в России и в мире. Но чтобы минорные актиниды могли вернуться в топливный цикл, к каждому нужен особый подход. Например, америций можно «дожечь» без задержек, а кюрий требует предварительной выдержки, во время которой он распадется до плутония — и только тогда сможет отправиться в реактор. Для этого минорные актиниды важно не просто извлекать из отработавшего ядерного топлива, но и эффективно разделять между собой.
Подробнее об этом Степан Николаевич Калмыков рассказал корреспонденту «Научной России».
«Суть проблемы минорных актинидов заключается в длительном безопасном захоронении того, что образуется после растворения отработавшего ядерного топлива, — отметил радиохимик. — Простыми словами, мы вернули [в ядерный топливный цикл] уран и плутоний, но остаются и другие вещества, и до последнего времени было непонятно, что с ними делать, — нептуний, америций, кюрий (в принципе, с ним дела обстоят проще, поскольку он распадается до плутония). Как я рассказываю студентам, решение этой проблемы напоминает раздельный сбор мусора — когда мы фракционируем его на пластик, металл, пищевые продукты. В случае с отработавшим ядерным топливом происходит то же самое, только с применением высоких технологий. Используя специальные молекулы, можно “вытянуть” из сложной смеси после растворения отработавшего ядерного топлива америций, оставив кюрий, и, допустим, редкоземельные элементы. Дальше выделенные вещества ожидает разная судьба. Что-то можно опять подмешать в топливо, и оно будет служить источником энергии в реакторе. А изотопы, которые обладают небольшим периодом полураспада (то есть недолго распадаются), можно захоранивать».
В случае с америцием и кюрием задача разделения довольно непростая: эти элементы очень близки друг к другу по химическим свойствам. Но российские ученые уже разработали два различных решения для экстракции этих минорных актинидов из продуктов распада.
Первая технология разработана исследователями из Московского государственного университета и Российской академии наук и использует метод жидкостной экстракции. Она основана на применении молекулы с условным названием PhenCN, обладающей рекордной избирательностью разделения америция и кюрия — превосходящей лучшие зарубежные аналоги.
«Эта технология может легко реализовываться на весьма миниатюрных установках по выделению минорных актинидов. С ее помощью мы можем выделять [из отработавшего ядерного топлива] америций, кюрий и редкоземельные элементы, среди которых особое значение имеют самарий, европий и гадолиний — “нейтронные яды” в реакторах (элементы, чьи атомы активно поглощают нейтроны, снижая интенсивность цепной реакции. — Примеч. корр.)», — подчеркнул С.Н. Калмыков в своем выступлении перед коллегами.
Вторая технология основана на методе высокоэффективной жидкостной хроматографии. Здесь разделять продукты распада помогает другое вещество — тетраоктилдигликольамид (ТОДГА). Инновационное решение разрабатывалось в «Росатоме» с участием институтов РАН и уже было успешно испытано на реальных высокоактивных отходах производственным объединением «Маяк». Метод позволил выделить 65 г америция-241 и америция-243 из раствора объемом 8 л, при этом эффективность извлечения элемента достигла более 99,9%. С.Н. Калмыков подчеркнул, что технология также готова к масштабированию.
Степан Николаевич объяснил корреспонденту «Научной России», как работают два названных подхода.
«Фактически все технологии разделения, которые уже испытываются в условиях производства, связаны либо с использованием разных высокоселективных молекул, либо с различными технологическими подходами, — пояснил академик. — Один из методов — это жидкостная экстракция. Простыми словами, у нас есть две жидкости — например, достаточно крепкая азотная кислота и раствор активной молекулы в растворителе, например, керосине. Они перемешиваются с помощью автоматического оборудования. В результате на границе раздела этих двух несмешивающихся фаз нужные нам вещества переходят из водной фазы в органическую. А потом из органической фазы их можно опять перевести в водную, но уже другую. Таким образом можно выделять из отработавшего ядерного топлива разные продукты — америций, кюрий, нептуний, европий и так далее.
То же самое можно сделать хроматографическим методом. В этом случае используется специальная колонка, внутри которой активные молекулы не растворены, а закреплены на неподвижной фазе. Мы начинаем пропускать раствор через установку, и колонка “захватывает” из него те или иные компоненты. Затем их можно селективно смыть и также получить разные продукты.
Для решения разных задач, растворов с разной концентрацией и различного объема могут быть применены разные подходы, поэтому в данном случае разнообразие технологий играет очень позитивную роль».
В своем выступлении С.Н. Калмыков подчеркнул, что переработка облученного ядерного топлива с глубоким разделением продуктов распада и дожигом минорных актинидов позволит существенно уменьшить срок безопасного захоронения ядерных отходов — до 300 лет. При этом объем высокоактивных отходов первого–второго класса при идеальном сценарии может снизиться примерно в 70 раз.