Секреты чернобыльского кориума: новое исследование выявило ураносодержащие фазы

Ученые под руководством доцента кафедры кристаллографии Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) Владислава Гуржия провели новаторское экспериментальное исследование эволюции чернобыльского кориума в воде при повышенных температурах. Исследование выявило две новообразованные кристаллические урансодержащие фазы, имеющие решающее значение для моделирования тяжелых ядерных аварий, понимания их долгосрочных последствий и разработки методов минимизации ущерба окружающей среде и обеспечения надежной изоляции радиоактивных отходов. Результаты исследования были опубликованы в международном научном журнале Materials.

Кориум — это продукт, образующийся при взаимодействии ядерного топлива из оксида урана с циркониевой оболочкой, заключающей топливо в оболочку. В данном конкретном исследовании оригинальный высокорадиоактивный образец был вручную собран в экстремальных условиях исследователями Владимиром Цирлиным и Ларисой Николаевой из Радиевого института им. В.Г. Хлопина в 1990 году из подреакторного помещения 305/2 внутри Чернобыльского саркофага (объект «Укрытие»). Позже эти новообразованные кристаллические урансодержащие фазы были переданы авторам научной статьи для лабораторного анализа.

Продукты ядерных аварий, а также радиоактивные отходы нередко контактируют с водой, будь то атмосферные осадки или грунтовые воды, влияющие на материалы. По словам руководителя исследования и кристаллографа СПбГУ Владислава Гуржия, изучение химических изменений настоящего чернобыльского кориума сегодня имеет решающее значение, поскольку позволяет детально изучить, как ведут себя высокорадиоактивные материалы при контакте с водой в течение длительного периода.

Чтобы ускорить процесс изменения кориума, эксперимент проводился при нагревании. В течение года образец подвергался непрерывной гидротермальной обработке в дистиллированной воде при температуре 150°C в условиях радиохимической лаборатории Радиевого института им. В.Г. Хлопина. Исследователи из СПбГУ смогли идентифицировать на поверхности кориума две новообразованные кристаллические фазы — беккерелит и уранофан. Эти фазы служат аналогами распространенных в природе вторичных урановых минералов.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета точно диагностировали их с помощью самого современного оборудования из Научного парка СПбГУ, что позволило получить уникальные результаты по микроскопическим радиационно-безопасным количествам материала, тем самым обеспечив безопасность исследователей. По словам кристаллографа из СПбГУ, ранее такие анализы были невозможны из-за необходимости использования большого количества опасного материала для тестирования.

Владислав Гуржий подчеркнул, что полученные результаты могут быть включены в компьютерную базу данных для моделирования поведения расплавленных продуктов ядерного топлива, образующихся при тяжелых ядерных авариях, по мере их эволюции под воздействием окружающей среды.

— Эти данные важны и для оценки стабильности кориума в условиях временного хранения материалов, и для их окончательного захоронения, — пояснил Владислав Гуржий. — Например, если хранить столь высокорадиоактивные отходы в местах с неконтролируемой влажностью, это ускорит процесс разрушения материала с последующим выносом радиоактивных элементов в окружающую среду, — подчеркнул доцент СПбГУ. — В результате таких техногенных катастроф образуется уникальный по составу и структуре материал, воспроизвести который в лабораторных условиях практически невозможно. А это значит, что моделирование процессов его образования и последующего изменения без фактического материала будет носить очень приблизительный характер. Поэтому даже небольшие фрагменты кориума, образовавшегося почти 40 лет назад, вносят существенный вклад в понимание того, как с этим веществом нужно обращаться.

Кроме того, ученый упомянул, что, хотя материал, образовавшийся во время аварии 2011 года на атомной электростанции «Фукусима-Дайичи», может химически отличаться от чернобыльского кориума, превращения его продуктов в воде при высоких температурах будут аналогичными. Это также подтверждается кадрами, полученными с подводного робота в феврале 2023 года.

Учитывая уникальную химическую природу чернобыльского кориума, в состав которого входят фрагменты ядерного топлива и конструкционных материалов, состав новообразованных фаз, полученных в этом эксперименте, незначительно отличается от их природных аналогов, что представляет большой интерес с точки зрения устойчивости этих соединений к изоморфным заменам и потенциального открытия новых минералов.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, а Лабораторные исследования проводились в ресурсном центре «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ.