Химики Кольского научного центра РАН разработали новый способ получения циркона — сверхстабильного керамического материала для надежного захоронения радиоактивных отходов, особенно плутония и других опасных актинидов.
Ученые Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН получили циркон, применяемый в качестве матрицы для иммобилизации радиоактивных отходов переработки плутония на основе местного сырья – бадделеитового концентрата Ковдорского ГОКа и отвальных шлаков Кольской ГМК.
Атомная энергетика — важный источник электроэнергии во многих странах мира. Атомные электростанции занимают небольшой участок земли, не используют ископаемый углерод и выдают много стабильной электроэнергии, но при этом так же стабильно производят опасные радиоактивные отходы. Самые опасные из них – долгоживущие актиниды, которые перед захоронением необходимо надежно иммобилизовать.
В журнале Theoretical Foundations of Chemical Engineering опубликована статья инженера-исследователя из лаборатории химии и технологии сырья тугоплавких редких элементов Владимира Виноградова, ведущего научного сотрудника с исполнением обязанностей по руководству лабораторией разработки и внедрения процессов химической технологии Александра Касикова и главного научного сотрудника с исполнением обязанностей по руководству отделом технологии силикатных материалов Александра Калинкина.
В статье рассказано, как с помощью механической активации были синтезированы твердые растворы циркония. При этом исходным материалом послужили диоксид циркония, полученный из бадделеитового концентрата ОАО «Ковдорский ГОК», а также гидратированный оксид кремния, выделенный методом сернокислотного выщелачивания из отвальных шлаков комбината «Печенганикель» Кольской ГМК. Оксид церия кубической модификации получали из 6-водного нитрата церия. Интересно, что работа носила как научный, так и прикладной характер, в ней приведена оценка возможности использовать синтезированный циркон для утилизации радиоактивных отходов объектов атомной энергетики, ведь он способен включать их в кристаллические матрицы с образованием собственных труднорастворимых фаз.
Известно, что минералы цирконового типа чрезвычайно стабильны и способны накапливать актиноиды, лантаноиды и другие редкие элементы, а долговечность и прочность этих структур подтверждаются их очень низкой растворимостью в различных геохимических условиях. Благодаря таким особым свойствам природный и синтетический циркон используют для производства различных видов керамических материалов, в том числе и матриц для иммобилизации радиоактивных отходов, образующихся при переработке отработавшего ядерного топлива и избыточного оружейного плутония.
Для синтеза циркона применяются разные методы, но есть сложность: при относительно низких температурах (около 1200 °C) скорость процесса невелика, а при температурах выше 1600 °C начинается обратная реакция – разложение циркона на оксиды циркония и кремния. У каждого метода есть свои плюсы и минусы, но ученые КНЦ предложили решение – снизить и температуру, и продолжительность синтеза с помощью применения предварительной механической активации исходных продуктов в центробежно-планетарной мельнице. Смеси подвергались механической активации в лабораторной центробежно-планетарной мельнице со стальными барабанами и шарами.
В результате циркон с выходом 75,3% образуется уже при прокаливании механически активированной смеси реагентов при 1100 °C в течение трех часов, а после прокаливания при 1200 °C в течение трех часов его выход составляет 100%. Следует отметить, что полученный при этом циркон накапливает церий в количестве либо сопоставимом, либо превышающем все описанные ранее методы, при этом на 200–300 °С удалось снизить температуру и в несколько раз – продолжительность синтеза, который осуществлялся без предварительного прессования порошков перед прокалкой.
Таким образом, ученые Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И.В. Тананаева представили возможность использовать то, что добываются в Кольском регионе, и отходы местного горнорудного производства для получения исключительно востребованного материала – циркона и твердых растворов на его основе, содержащих церий, в качестве модельных объектов для иммобилизации радиоактивных отходов плутония.