Стронций-90 (90Sr) — один из самых опасных продуктов деления урана. Обладая высокой радиотоксичностью и подвижностью, он способен накапливаться в костной ткани живых организмов, а его период полураспада составляет около 30 лет. Надежная изоляция таких отходов от биосферы на сотни лет — критическая задача для всех стран, использующих атомную энергию. Традиционные методы, такие как цементирование или остекловывание, имеют недостатки: они либо увеличивают объем отходов, либо не гарантируют абсолютной долговременной стабильности.

Ученые предложили изящное и эффективное решение, используя в качестве исходного материала каолин — доступное природное сырье (в работе использовался каолин из месторождения Аухтиярви в Карело-Кольском регионе). Они смешали его с имитатором радиоактивных отходов — карбонатом стронция (SrCO3) — и подвергли смесь обработке методом реакционного искрового плазменного спекания (R-SPS).

«Искровое плазменное спекание — это передовая технология, при которой порошок нагревается импульсами электрического тока под высоким давлением. Это позволяет провести процесс очень быстро и при относительно низких температурах — всего за 5 минут при 1000°C. В случае с каолином и стронцием мы наблюдали уникальный одностадийный процесс консолидации. В результате химической реакции стронций не просто механически смешивается с глиной, а встраивается в кристаллическую решетку двух новых минералов — стронциевого полевого шпата (SrAl2Si2O8) и Sr-геленита (Sr2Al2SiO7)», — пояснил один ключевой автор исследования Шичалин Олег.

Использование R-SPS дает важное преимущество с точки зрения безопасности: высокая скорость нагрева и приложенное давление герметизируют образец, предотвращая улетучивание радиоактивных элементов, которое может произойти при традиционном длительном нагреве.

Анализ полученной керамики подтвердил ее высокое качество. Сканирующая электронная микроскопия показала однородную структуру материала с равномерным распределением стронция. Рентгенофазовый анализ доказал образование целевых минеральных фаз, способных надежно удерживать радионуклиды в течение геологических сроков.

Ключевым результатом стали тесты на гидролитическую стойкость — скорость выщелачивания ионов стронция из керамики в водную среду. Она составила всего 1,79 × 10⁻⁵ г/см² в сутки при концентрации цезия 30% от всей массы керамики — это очень высокий показатель. За 30 дней экспериментов из материала выщелочилось лишь 0,62% от общего объема стронция. Это на порядок выше показателей, достигаемых при синтезе аналогичных материалов из чистых оксидов, и демонстрирует высокую эффективность удержания радионуклида.

«Наша керамика по своему составу и структуре максимально приближена к природным минералам, которые миллионы лет сохраняют стабильность в земной коре. Это значит, что помещенное в глубокое геологическое хранилище, такое вещество не будет источником загрязнения. Тем не менее мы видим пространство для улучшения. Полученные значения скорости выщелачивания, хоть и очень низкие, пока не в полной мере соответствуют самым строгим международным стандартам. Это задает направление для дальнейшей работы — мы планируем оптимизировать состав смеси и параметры спекания, чтобы сделать материал еще более совершенным», — добавил Олег Шичалин.

Разработка ученых открывает новые перспективы для создания стабильных и безопасных форм захоронения радиоактивных отходов с использованием доступного природного сырья и современных энергоэффективных технологий. Успех проекта позволит минимизировать экологические риски, связанные с накопленными запасами радиоактивных материалов.

В разработке участвовали также коллективы Сахалинского государственного университета (СахГУ), Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН (ИХТРЭМС КНЦ РАН) и Института общей и неорганической химии НАН Беларуси ГНУ (ИОНХ НАНБ).