Группа ученых, которую возглавил доцент кафедры кристаллографии СПбГУ Владислав Гуржий, экспериментально исследовала эволюцию чернобыльского кориума в воде при повышенной температуре. В результате были выявлены две новообразованные кристаллические урансодержащие фазы. Точная диагностика этих фаз важна для моделирования тяжелых ядерных аварий и их долговременных последствий, а также для разработки способов минимизации экологического ущерба и надежной изоляции радиоактивных отходов. Результаты исследования были опубликованы в международном научном журнале Materials. Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 23‑17‑00080).
Кориум — продукт взаимодействия ядерного уран-оксидного топлива и циркониевых оболочек, в которых это топливо заключено. Исходный высокорадиоактивный образец был отобран вручную в экстремальных условиях сотрудниками Радиевого института имени В. Г. Хлопина Владимиром Цирлиным и Ларисой Николаевой в 1990 году в подреакторном помещении 305/2 внутри чернобыльского саркофага (объект «Укрытие»). Позже новообразованные кристаллические урансодержащие фазы были переданы для проведения лабораторных исследований авторам научной статьи.
Продукты ядерных аварий, а также радиоактивные отходы нередко контактируют с водой — это могут быть и атмосферные осадки, и грунтовые воды, оказывающие влияние на материалы. По словам руководителя исследования, доцента кафедры кристаллографии СПбГУ Владислава Гуржия, изучение химических изменений реального чернобыльского кориума сегодня важно, поскольку позволяет подробно изучить поведение высокорадиоактивных материалов в контакте с водой в течение длительного времени.
Для ускорения процесса изменения кориума эксперимент проводился при нагреве. На протяжении года в условиях радиохимической лаборатории в Радиевом институте образец подвергался непрерывной гидротермальной обработке в дистиллированной воде при температуре 150 °С. В результате исследования ученым СПбГУ удалось выявить на поверхности кориума две новообразованные кристаллические фазы — беккерелит и фуркалит, которые являются аналогами распространенных в природе вторичных урановых минералов.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета провели их точную диагностику с использованием современного оборудования Научного парка СПбГУ. Это позволило получить уникальные результаты на микроскопических радиационно безопасных количествах материала, то есть без риска для исследователей. Как отметил кристаллограф СПбГУ, ранее подобные исследования были невозможны, поскольку для анализа требовалось большое количество опасного материала.
По словам доцента СПбГУ Владислава Гуржия, полученные результаты могут быть включены в компьютерную базу данных для моделирования поведения продуктов плавления ядерного топлива, которые образуются в условиях тяжелых ядерных аварий и эволюционируют под воздействием окружающей среды.
Эти данные важны и для оценки стабильности кориума в условиях временного хранения материалов, и для их окончательного захоронения. Например, если хранить столь высокорадиоактивные отходы в местах с неконтролируемой влажностью, это ускорит процесс разрушения материала с последующим выносом радиоактивных элементов в окружающую среду.
Доцент кафедры кристаллографии СПбГУ Владислав Гуржий
«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», — объяснил Владислав Гуржий.
Как отметил ученый, материал, который образовался на атомной электростанции «Фукусима-1» во время аварии 2011 года, сопровождавшейся плавлением ядерного топлива на трех энергоблоках, может химически отличаться от чернобыльского образца, однако продукты его изменения в воде при высокой температуре будут сходными. Об этом также говорят кадры, полученные с подводного робота в феврале 2023 года.
Кроме того, учитывая уникальную химическую специфику чернобыльского кориума, который включает в себя и фрагменты ядерного топлива, и конструкционные материалы, состав полученных в результате эксперимента новых фаз несколько отличается от их природных аналогов, что весьма интересно с точки зрения устойчивости данных соединений к изоморфным замещениям, а также в плане открытия новых минералов.
Лабораторные исследования проводились в ресурсном центре «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ.
