logo Радиевый институт им. В.Г. Хлопина
Написать письмо Добавить в избранное Карта сайта
English version
Об институте  Структура    История   Награды   Продукция   Публикации   События    Контакты
структура научной части института отделение радиоэкологии и радиогеохимии лаборатория прикладной минералогии и радиогеохимии основные направления исследований

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛАБОРАТОРИИ ПРИКЛАДНОЙ МИНЕРАЛОГИИ И РАДИОГЕОХИМИИ

1. Разработка и синтез актиноидной керамики


1.1. Разработка керамических матриц для долговременной и безопасной иммобилизации высокоактивных отходов.

Лаборатория многие годы проводит исследования в области обращения с радиоактивными отходами, образующимися при фракционировании высокоактивных отходов (ВАО) в процессе переработки ОЯТ, а также c отходами сложного состава, образовавшимися при производстве оружейного плутония. Изучаются различные типы кристаллических матриц, пригодных для иммобилизации трансурановых и других долгоживущих радионуклидов. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что циркон (Zr, An)SiO4 (где An = U, Pu, Np, Am, Cm) - одна из наиболее устойчивых матриц для иммобилизации актиноидов, в частности избыточного оружейного плутония.

Керамика на основе циркона. Фотография в отраженном свете непосредственно после синтеза керамики
Керамика на основе циркона, (Zr,Pu)SiO4 (+ 15 вес.% тетрагональной ZrO2), допированной 5-6 масс. % 238Pu. Фотография в отраженном свете непосредственно после синтеза керамики

Другой актиноидсодержащей матрицей является диоксид циркония (Zr,An,:)O2.

Керамика на основе кубической двуокиси циркония. Фотография в отраженном свете непосредственно после синтеза керамики
Керамика на основе кубической двуокиси циркония, Zr0.79Gd0.14Pu0.07O1.99 , допированной 9,9 масс.% 238Pu. Фотография в отраженном свете непосредственно после синтеза керамики


Кристаллическая керамика на основе граната и перовскита, (Y, Gd, Ca, Fe,:)3(Al, Ga, Fe,:)5O12 и (Y, Gd, Ca,:)(Al, Ga, Fe,:)O3 рассматривается в качестве матрицы для иммобилизации отходов сложного химического состава, содержащих актиноиды.

1.2. Разработка керамического ядерного топлива и матриц для трансмутации актиноидов
Лаборатория предлагает применять керамику на основе диоксида циркония для производства керамического плутониевого топлива и в качестве формы иммобилизации отходов. Проведены экспериментальный синтез и исследование следующих образцов керамики, содержащих 239Pu, 238Pu и 243Am:


Микрозондовым и рентгеноструктурными методами показано, что Pu-содержащие керамические матрицы могут быть успешно синтезированы экономически приемлемыми методами (спекание или плавление на воздухе) без образования самостоятельных фаз актиноидов.

1.3. Изучение радиационных повреждений в керамических матрицах

Исследование устойчивости образцов керамики на основе стабилизированного гадолинием кубического диоксида циркония, (Zr, Gd, Pu)O2, содержащего 9,9 масс. % 238Pu, и керамики на основе пирохлора, (Ca, Gd, Hf, U, Pu)2Ti2O7, содержащей 8,7 масс. % 238Pu, показало, что пирохлоровая керамика под воздействием самооблучения сравнительно быстро теряет кристалличность. Этот процесс сопровождается существенным снижением химической устойчивости данной керамики. В тех же условиях керамика на основе диоксида циркония сохраняет кристалличность и химическую устойчивость.

1.4. Синтез монокристаллов, допированных актиноидами, и изучение их радиационных повреждений

В лаборатории разработаны и освоены такие технологии синтеза керамических матриц, которые позволяют синтезировать монокристаллы циркона с высоким содержанием актиноидов. Изучение свойств таких монокристаллов, их радиационных повреждений, выщелачивания из них актиноидов позволяет более точно судить о процессах, происходящих в керамических матрицах, состоящих из агрегатов микроскопических кристаллов.

Монокристалл циркона, допированный 238Pu
A - фотография в отраженном свете; B - свечение кристалла в темноте
Постепенная деградация монокристалла циркона, содержащего приблизительно 2,4% масс. 238Pu, в результате радиационных повреждений

2. Геологические исследования в области захоронения высокоактивных отходов


2. 1.Выбор и характеристика геологической среды для захоронения ВАО

В Красноярском крае проведены комплексные изыскательские работы по поиску площадки, пригодной для строительства глубокого хранилища для высокоактивных отходов, образующихся от производства оружейного плутония на Горно-химическом комбинате.

Итогом многоэтапных работ явились:

  • выбор Нижнеканского гранитоидного массива как перспективной геологической среды для строительства хранилища,
  • определение, в пределах массива, наиболее перспективных участков "Итатский" и "Каменный",
  • предварительное изучение перспективных участков с применением комплекса наземных геофизических методов разведки, гидрогеохимических исследований, геологической съемки, буровых работ, оценки тектонической нарушенности и пр.
Геологическое строение территории: 1 и 2 - участки детальных геофизических работ
Геологическое строение территории: 1 и 2 - участки детальных геофизических работ "Итатский" и "Каменный", 3 - альтернативный Енисейский участок

2.2. Изучение барьерных свойств горных пород участков предполагаемого захоронения радиоактивных отходов в глубоких геологических формациях

Исследования включают в себя:

  • минералого-петрографическое изучение горных пород;
  • характеристику вторичных изменений пород и слагающих их минералов;
  • определение фильтрационных характеристик (пористости, проницаемости) репрезентативных образцов горных пород;
  • определение тепловой и радиационной устойчивости горных пород;
  • оценку прочностных характеристик пород;
  • анализ равновесия в системах природных радионуклидов в горной породе.

Кроме того, совместно с Лабораторией радиохимических основ изоляции радиоактивных отходов в геологических формациях, исследуются удерживающие (сорбционные) свойства горных пород относительно актиноидов и других долгоживущих радионуклидов-компонентов ВАО. В широком диапазоне условий изучается межфазовое распределение радионуклидов между раствором, имитирующим подземные воды, и образцами горных пород.

3. Исследование чернобыльских "лав" и горячих частиц

С 1990 г. в лаборатории изучают радиоактивные продукты, образовавшиеся вследствие чернобыльской аварии.

При аварии бoльшая часть ядерного топлива, взаимодействуя с конструкционными материалами реактора, проплавила основание реактора и растеклась по подреакторным помещениям. Застывшие потоки образовали так называемые чернобыльские "лавы". "Лавы" различаются по составу, и некоторые из них подверглись вторичным изменениям.

С помощью оптической и электронной микроскопии, микрозондового и рентгеноструктурного анализов получены данные по химическому и фазовому составам "лав", а также по содержанию радионуклидов в отдельных зернах минералов. В аморфной стеклообразной матрице чернобыльских "лав" идентифицированы следующие самостоятельные фазы:

  • циркон (Zr, U) SiO4 с высоким (до 12 масс. % ) содержанием урана;
  • бадделеит (Zr, U)O2;
  • оксид урана U4O9;
  • аморфная фаза "Zr- U- O";
  • капли переплавленной нержавеющей стали "Fe - Cr - Ni".
Образцы черной и коричневой чернобыльских "лав" (топливосодержащих масс)
Образцы черной и коричневой чернобыльских "лав" (топливосодержащих масс)


Высокоурановый циркон из чернобыльских
Высокоурановый циркон из чернобыльских 'лав'

При исследовании вторичных поверхностных изменений "лав", так называемых "желтых пятен" установлены вторичные минералы урана:

  • эпииантинит, UO3.2H2O;
  • Na4(UO2)(CO3)3;
  • студтит, UO4.4H2O;
  • резерфордин, UO2(CO3),

а также безурановые карбонаты:

  • Na2CO3.H2O;
  • Na3H(CO3)2.2H2O.

В 1990-1992 гг. сотрудниками лаборатории отобрано большое количество проб почвы в пределах 30-км зоны ЧАЭС. После многоэтапной обработки из проб почвы выделяли топливосодержащие "горячие" частицы. Размер выделенных частиц составлял от 0,01 до 0,9 мм. Исследования с помощью электронной микроскопии, качественного микрозондового анализа, гамма-спектрометрии показали, что свыше 90% горячих частиц представляют собой фрагменты ядерного топлива (UOX) и продукты взаимодействия между ядерным топливом и конструкционными материалами: циркониевым сплавом и нержавеющей сталью.

Типичные горячие частицы - фрагменты неизмененного ядерного топлива.
Типичные горячие частицы - фрагменты неизмененного ядерного топлива. Изображения получены под электронным микроскопом в режиме обратно-рассеянных электронов

Результаты исследований позволили во многих случаях уточнить сценарий чернобыльской аварии.

 
Copyright © 2005-2012  Радиевый институт
Последнее обновление: 25.04.2012