Недавно я писал про микросферы из стекла, которые используются для лечения рака: в них специально формируют изотопы, которые делают стекло радиоактивным на некоторое время, чтобы использовать этот эффект для разрушения раковых клеток. Но есть технологии и стёкла, используя которые, можно, наоборот, «прятать» радиоактивные отходы.
Утилизация отходов – и особенно радиоактивных – большая проблема сегодняшнего дня. Развитие атомной энергетики даёт нам дешевую электроэнергию, и в ходе своей работы атомная станция не создаёт каких-либо вредных выбросов. Однако, когда ресурс атомного топлива подходит к концу, возникают радиоактивные отходы (РАО), которые делятся на различные классы опасности в зависимости от технологии работы атомной станции и используемого сырья. Большая часть РАО – это водные растворы солей радиоактивных металлов (например, урана или технеция), которые обладают не только сильной радиоактивностью, но и высокой химической активностью. Поэтому при хранении таких отходов даже в самых плотных контейнерах через какое-то время происходит взаимодействие материала контейнера с солями, стенки контейнера разъедаются, и опасные отходы попадают в окружающую среду почву. Для решения этой проблемы применяют метод витрификации, или остекловывания РАО, то есть превращения их в стекло.
Почему именно в стекле? На первый взгляд кажется, что это не самый очевидный выбор для надёжной «тюрьмы», в которую можно заключить опасные радиоактивные отходы. Однако несмотря на то, что в мире есть много различных материалов, из которых можно сделать очень устойчивые ёмкости для хранения РАО, все они со временем начнут взаимодействовать с агрессивными химически активными отходами и придут в негодность. Более того, если мы просто сделаем ёмкость из стекла и зальём туда порцию РАО, то делу это особенно не поможет: даже самые химически стойкие стеклянные баки вряд ли справятся с агрессивными отходами.
Исследователи и инженеры, которые разработали метод витрификации, смотрели на стекло совсем по-другому: не как на ёмкость для хранения (будь то маленькая бутылка или большой резервуар), а как на материал, способный хранить любой элемент таблицы Менделеева внутри своей структуры на атомном уровне. Здесь стоит напомнить, что структура стекла представляет собой атомы или группы атомов, соединённые между собой в случайном порядке. Их так и называют – стеклообразователи; к ним относят оксиды кремния, бора, фосфора, атомы серы, селена и многие другие вещества. При нагревании и резком охлаждении стеклообразователей они соединяются между собой, формируя трёхмерную сетку стекла. Внутри этой сетки уже могут размещаться другие атомы или группы атомов, которые находились в исходной смеси и тоже нагревались и охлаждались, а это практически бесконечные комбинации различных элементов таблицы Менделеева.
Думаю, что теперь логика витрификации становится более понятной: смысл в том, чтобы распределить отдельные радиоактивные атомы по всей сетке стекла, то есть «запереть» их внутри группировок других атомов, разом снимая сложную задачу хранения агрессивных радиоактивных жидкостей. На практике жидкие отходы высушивают и смешивают с веществами-стеклообразователями (например, с оксидами кремния, бора или фосфора), а также добавками, которые повышают химическую стойкость и прочность стекла (оксиды алюминия, кальция, магния). Остаётся нагреть эту смесь до температур выше 1000 градусов Цельсия (этот этап называется варкой стекла), а затем резко охладить расплав, например вылив его в какую-нибудь форму (этап выработки, или формования). В итоге получается кусок стекла (в зависимости от формы, куда выливали расплав, это может быть блок, цилиндр или что-то другое), который уже можно хранить намного спокойнее, чем баки с агрессивными жидкостями.
Такое спокойствие в хранении остеклованных радиоактивных отходов объясняется тем, что радионуклиды надёжно заперты внутри структуры стекла. При этом чудес не бывает, и даже такую охраняемую «тюрьму» радионуклиды способны покинуть: любое стекло подвержено эффекту выщелачивания, то есть вымывания атомов с поверхности стекла под действием влаги (атмосферной или другой). Так вместе с остальными атомами в процессе выщелачивания стекла часть радионуклидов может попадать в окружающую среду. Учёные об этом знают и замеряют этот процесс, который определяется как скорость выщелачивания. Однако значения этой скорости ничтожно малы: было доказано, что даже в простой траншее из 190 кг радиоактивного стекла за 300 лет может попасть в грунтовую воду всего 20 кБк (килобеккерелей) радионуклидов, а это примерно равно природной радиоактивности человеческого тела или одной тысячи бананов (если класть в траншею по три с половиной банана в год).
Несмотря на устойчивость радиоактивных стёкол, бросать их в траншеях или хранить как попало никто не планирует. Расплав стекла обычно вырабатывается прямо в металлическую канистру цилиндрической формы, и такие баллоны с застывшим внутри стеклом размещаются в специальных хранилищах: пока это наземные склады, но в ближайшие несколько лет в разных странах откроются и подземные хранилища для остеклованных отходов. С учётом высокой химической стойкости стекла и низкой скорости выщелачивания радионуклидов можно быть уверенным в безопасности такого способа хранения. Кроме того, остеклованные отходы занимают в несколько раз меньше места по сравнению с жидкими отходами, что значительно снижает стоимость их хранения.
Несмотря на то что технология витрификации жидких радиоактивных отходов разработана достаточно давно, только в последнее время она начинает активно внедряться и масштабироваться: крупный проект реализуется в Хэнфорде (США), на предприятиях Великобритании и Франции. В России технологии витрификации активно развиваются и совершенствуются на предприятиях «Радон» и «Маяк», входящих в структуру ГК «Росатом».
Иллюстрации: анонс – Елена Рюмина, в тексте – предоставлены Георгием Шахгильдяном
