Инспекция радиоактивных захоронений на атомном уровне

Недавно было сообщено о новом способе слежения за безопасностью хранения отходов ядерной энергетики. Способ основанный на хорошо известном принципе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) позволяет отследить повреждения, которые возникают в материале контейнера под воздействием частиц, образующихся в результате распада хранящегося в этом контейнере радиоактивного материала.

Метод уже показал, что минерал циркон (ZrSiO₄) наиболее подходящий кандидат для долговременного хранения радиоактивных материалов, под воздействием альфа-излучения теряет свою упорядоченную структуру за время гораздо более малое, чем прогнозировалось. Ранее считалось, что альфа-распад не разрушит керамику на основе циркона в течение, по крайней мере, 250000 лет.

Один из авторов исследования, Ян Фарнан (Ian Farnan), работающий в Кембридже (Великобритания), поясняет, что ученые еще не пришли к единому мнению относительно лучшего способа для хранения некоторых долгоживущих радиоактивных элементов, как, например, плутоний и другие актиноиды, получаемые искусственным путем. Период полураспада плутония-239 составляет 24110 лет, этот нуклид распадается, испуская альфа-частицы.

Хотя как Великобритания, так и Соединенные Штаты планируют устраивать захоронения отходов своей ядерной энергетики под землей, еще не до конца ясно, смогут ли окружающие захоронения скалы, медные канистры и глина, заполняющая пустоты, обеспечить достаточную защиту от утечки радиоактивного материала. Из соображений дополнительной безопасности было предложено смешивать радиоактивные материалы со стеклообразными или керамическими минералами для образования единого маломобильного кристаллического фрагмента. Захоронение отходов в виде единого кристалла, содержащего в качестве примесей излучающие материалы, по мнению ученых должно существенно снизить риск радиоактивной утечки.

Кристаллическая структура, тем не менее, должна существенно терять свою упорядоченность из-за бомбардировки альфа-частицами, которые испускаются в результате распада радиоактивных нуклидов. Измерение времени устойчивости кристаллических решеток различных типов к действию радиации представляет собой непростую задачу. Исследователи из группы Фарнана внедрили в структуру циркона радиоактивный плутоний и использовали твердотельный ЯМР для того, чтобы определить, сколько атомов кристаллической решетки меняют свое окружение в результате каждого альфа-распада. Исследованные образцы, отличавшиеся высокой радиоактивностью, вращали со скоростью более 200000 оборотов в минуту.

Скорость повреждения кристаллической решетки под воздействием альфа-частиц оказалась гораздо более существенной, чем предполагалось ранее. Исследователи предположили, что циркон начнет расширяться и разрушаться уже через 210 лет после того, как будет смешан с плутонием в соотношении 9 : 1 (по массе). Очевидно, что эти данные не внушают оптимизма сторонникам смешивания радиоактивных отходов с цирконом.

Вместе с тем, Брюс Бегг (Bruce Begg) из Центра ядерных исследований Австралии говорит о том, что утрата порядка кристаллической структурой не обязательно приводит к невозможности хранения радиоактивных отходов в материале. Он отмечает, что боросиликатные стекла не имеют кристаллической структуры, однако, могут связывать плутоний. Бегг дополняет, что такие керамические материалы с разнородной кристаллической структурой, как цирконолиты и пирохлоры, могут подходить для связывания плутония даже при существенном разупорядочивании их структуры.

Фарнан и его соавторы соглашаются с доводами Бегга, но отмечают, что их текущие исследования показали, сколь мало еще современное знание о долговременном влиянии радиоактивных отходов на материалы для их хранения. Фарнан также констатирует, что необходимо приложить существенные усилия для создания такой формы хранения радиоактивных отходов, которая обеспечит их полную безопасность для окружающей среды.

Источник: Nature, 2007, 445, 190