Специалисты Московского государственного университета и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» изучили поведение высокорадиотоксичных радионуклидов, в частности плутония и нептуния, с помощью методов синхротронного излучения. Полученные данные помогут улучшить способы безопасного захоронения радиоактивных отходов. Об этом сообщила в ходе международной конференции «Синхротронные исследования: Наука, Знания, Инновации, Будущее» (SKIF-2026) младший научный сотрудник лаборатории дозиметрии и радиоактивности окружающей среды химического факультета МГУ Анастасия Кузенкова.
Схема захоронения РАО. Источник: МГУ
Утилизация радиоактивных отходов (РАО) — критически важное экологическое направление. Мировой объем радиоактивных отходов всех классов опасности составляет около 32 млн кубометров, из которых около 26,6 млн утилизированы, а 5,6 млн ожидают своей очереди. Особо серьезного подхода требуют высокорадиотоксичные элементы первого класса, такие как актиниды, например, плутоний и уран.
Один из перспективных способов захоронения — размещение отходов в устойчивых пластах горных пород на глубине в сотни метров. Существует концепция многобарьерной системы: она включает в себя матрицу отходов (твердый структурированный носитель), контейнер, буферы, герметизирующие элементы, а также естественный барьер — саму породу. При проектировании таких объектов необходимо учитывать вероятность проникновения воды через барьеры, а также превращение соединений радионуклидов в растворимые, что может вызвать попадание РАО в окружающую среду.
Чтобы обеспечить долгосрочную безопасность, нужно проводить прогнозное моделирование миграции радионуклидов из мест захоронения, в том числе детально представлять возможные формы существования актинидов и их свойства. Ключевую роль здесь играет знание того, как радионуклиды взаимодействуют с материалами барьеров и основными компонентами окружающей среды на молекулярном уровне.
Специалисты из МГУ и НИЦ «Курчатовский институт» исследовали наиболее опасные компоненты РАО — плутоний и нептуний. Они обладают высокой радиотоксичностью и долгим периодом полураспада. Необходимо понимать, как они могут взаимодействовать с компонентами природных вод, какие соединения могут образовывать и насколько эти соединения устойчивы.
В качестве основного инструментария ученые выбрали методы синхротронного исследования. «Эксперименты с элементами первого класса опасности требуют соблюдения большого перечня правил безопасности. Синхротронные методы с высокой интенсивностью пучка позволяют проводить работы быстро и точно даже для малого количества образца или образцов с низкой кристалличностью. Мы делаем упор на изучение новых соединений актинидов с наиболее распространенными катионами, в частности, щелочных и щелочноземельных металлов, и анионами — с карбонатными и фосфатными», — рассказывает младший научный сотрудник лаборатории дозиметрии и радиоактивности окружающей среды химического факультета МГУ Анастасия Кузенкова.
Чтобы выявить структуру и свойства новых соединений, ученые объединили рентгеноструктурный анализ (XRD, X-ray structural analysis) для получения данных о кристаллическом строении и рентгеновскую спектроскопию поглощения (XANES — X-ray Absorption Near Edge Structure, и EXAFS — Extended X-ray Absorption Fine Structure), которая позволяет определить степень окисления актинидов и их локальное окружение.
Представленные методы помогли определить межатомные расстояния, координационные числа и параметры элементарных ячеек исследуемых соединений. Ученые впервые установили структуры соединений актинидов, ранее не описанных в литературе. Вторым этапом специалисты экспериментально изучали растворимость твердых фаз и рассчитывали соответствующие термодинамические константы. Эти данные нужны для количественного описания устойчивости актинидов в водных средах и прогноза их равновесных концентраций.
По словам Анастасии Кузенковой, полученная информация о составе, структуре и свойствах актинид-содержащих соединений помогает определять пути миграции радионуклидов в окружающей среде и понимать, насколько безопасными останутся захоронения радиоактивных отходов через сотни и тысячи лет при данных условиях хранения и какие параметры надо изменить для еще большей безопасности.
Информация и иллюстрация предоставлены ФИЦ «Институт катализа СО РАН»
Источник изображения: МГУ
