Ученые научились превращать золу ТЭС в прочный материал для безопасного захоронения цезия
Новая технология дает возможность использовать огромные объемы золы от ТЭС не как мусор, а как сырье для создания полезных и безопасных материалов.
Источник: Новости науки. Иллюстрация подготовлена с помощью нейросети.
МОСКВА, 15 апреля. /ТАСС/. Ученые из Дальнего Востока и Сибири предложили использовать золу угольных ТЭС для создания прочной керамики, способной надежно удерживать радиоактивный цезий. Разработка одновременно решает две задачи — переработку золошлаковых отходов и безопасную изоляцию опасных радионуклидов на очень долгий срок. Результаты исследования опубликованы в Journal of Environmental Management.
Речь идет прежде всего об изотопах цезия-137 и цезия-135. Это одни из самых опасных компонентов радиоактивных отходов: они долго сохраняют активность и требуют надежной изоляции от окружающей среды на тысячи лет. Одна из главных задач в этой области — создать материал, который не даст радионуклидам выйти наружу после захоронения.
Исследователи из ДВФУ, Сибирского федерального университета и Института химии и химической технологии ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» предложили недорогое решение. В качестве основы они взяли микросферы летучей золы — очень мелкие частицы, которые образуются при сжигании угля на тепловых электростанциях и обычно считаются вредным отходом.
По составу эти микросферы оказались подходящими для создания минералоподобных структур, способных удерживать цезий внутри своей кристаллической решетки.
«Наша идея заключалась в том, чтобы использовать золу не как отход, а как готовый прекурсор. Мы пропитали микросферы раствором, имитирующим жидкие радиоактивные отходы с цезием, и подвергли их высокотемпературной обработке. В результате химической реакции цезий не просто смешался с золой, а встроился в структуру вновь образованных минералов — поллуцита и Cs-кальсилита, которые являются природными ловушками для этого элемента», — отметил научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ кандидат химических наук Олег Шичалин.
После этого ученые использовали метод искрового плазменного спекания. Он позволяет быстро превращать порошок в плотный монолит при сравнительно невысокой температуре, что особенно важно в работе с радиоактивным цезием, поскольку снижает риск его испарения.
В итоге исследователи получили плотную керамику с высокой прочностью и устойчивостью к воде. Именно это свойство особенно важно для будущего захоронения: чем хуже вода вымывает цезий из материала, тем безопаснее такая форма отходов.
Испытания показали, что скорость выщелачивания цезия из новой керамики составляет всего 10⁻⁵–10⁻⁶ грамма на квадратный сантиметр в сутки. По словам авторов, это соответствует самым жестким российским и международным требованиям к материалам для отверждения высокоактивных радиоактивных отходов.
Еще одно преимущество разработки в том, что полученный материал по своему составу близок к природным минералам, встречающимся в гранитах и базальтах. Это делает его геохимически совместимым с горными породами, где планируется долговременное захоронение.
«По сути, мы создали материал, который геохимически совместим с породами земной коры. Он состоит из тех же минералов, что и граниты или базальты. Это означает, что, будучи помещенным в глубокое геологическое хранилище, он будет находиться в равновесии с окружающей средой и не станет источником загрязнения на протяжении геологических эпох», — пояснила ведущий научный сотрудник ИХХТ и заведующая кафедрой химии СФУ доктор химических наук Татьяна Верещагина.
Авторы также сравнили две фракции золы — более крупную PM10 и более мелкую PM2.5. Выяснилось, что керамика из более крупных частиц получалась прочнее и плотнее, а материал из сверхмелкой фракции лучше сопротивлялся вымыванию в воде. Это позволяет подбирать свойства конечного продукта под конкретные условия хранения отходов.
По мнению исследователей, новая технология важна не только для ядерной отрасли, но и для экологии в целом. Она дает возможность использовать огромные объемы золы от ТЭС не как мусор, а как сырье для создания полезных и безопасных материалов.
В дальнейшем ученые собираются проверить, можно ли таким же способом надежно связывать и другие долгоживущие радиоактивные элементы, в том числе америций и кюрий.
Речь идет прежде всего об изотопах цезия-137 и цезия-135. Это одни из самых опасных компонентов радиоактивных отходов: они долго сохраняют активность и требуют надежной изоляции от окружающей среды на тысячи лет. Одна из главных задач в этой области — создать материал, который не даст радионуклидам выйти наружу после захоронения.
Исследователи из ДВФУ, Сибирского федерального университета и Института химии и химической технологии ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» предложили недорогое решение. В качестве основы они взяли микросферы летучей золы — очень мелкие частицы, которые образуются при сжигании угля на тепловых электростанциях и обычно считаются вредным отходом.
По составу эти микросферы оказались подходящими для создания минералоподобных структур, способных удерживать цезий внутри своей кристаллической решетки.
«Наша идея заключалась в том, чтобы использовать золу не как отход, а как готовый прекурсор. Мы пропитали микросферы раствором, имитирующим жидкие радиоактивные отходы с цезием, и подвергли их высокотемпературной обработке. В результате химической реакции цезий не просто смешался с золой, а встроился в структуру вновь образованных минералов — поллуцита и Cs-кальсилита, которые являются природными ловушками для этого элемента», — отметил научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ кандидат химических наук Олег Шичалин.
После этого ученые использовали метод искрового плазменного спекания. Он позволяет быстро превращать порошок в плотный монолит при сравнительно невысокой температуре, что особенно важно в работе с радиоактивным цезием, поскольку снижает риск его испарения.
В итоге исследователи получили плотную керамику с высокой прочностью и устойчивостью к воде. Именно это свойство особенно важно для будущего захоронения: чем хуже вода вымывает цезий из материала, тем безопаснее такая форма отходов.
Испытания показали, что скорость выщелачивания цезия из новой керамики составляет всего 10⁻⁵–10⁻⁶ грамма на квадратный сантиметр в сутки. По словам авторов, это соответствует самым жестким российским и международным требованиям к материалам для отверждения высокоактивных радиоактивных отходов.
Еще одно преимущество разработки в том, что полученный материал по своему составу близок к природным минералам, встречающимся в гранитах и базальтах. Это делает его геохимически совместимым с горными породами, где планируется долговременное захоронение.
«По сути, мы создали материал, который геохимически совместим с породами земной коры. Он состоит из тех же минералов, что и граниты или базальты. Это означает, что, будучи помещенным в глубокое геологическое хранилище, он будет находиться в равновесии с окружающей средой и не станет источником загрязнения на протяжении геологических эпох», — пояснила ведущий научный сотрудник ИХХТ и заведующая кафедрой химии СФУ доктор химических наук Татьяна Верещагина.
Авторы также сравнили две фракции золы — более крупную PM10 и более мелкую PM2.5. Выяснилось, что керамика из более крупных частиц получалась прочнее и плотнее, а материал из сверхмелкой фракции лучше сопротивлялся вымыванию в воде. Это позволяет подбирать свойства конечного продукта под конкретные условия хранения отходов.
По мнению исследователей, новая технология важна не только для ядерной отрасли, но и для экологии в целом. Она дает возможность использовать огромные объемы золы от ТЭС не как мусор, а как сырье для создания полезных и безопасных материалов.
В дальнейшем ученые собираются проверить, можно ли таким же способом надежно связывать и другие долгоживущие радиоактивные элементы, в том числе америций и кюрий.
