25.08.2019

Осколки панциря планеты

Степан Калмыков
Профессор, и.о. декана химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова:
«Процедура фракционирования и разделения радиоактивных отходов аналогична тому, как сортируется мусор, только на значительно более высоком технологичном уровне. То есть мы из сложной смеси радионуклидов с разным периодом полураспада, с разными свойствами выделяем то, что мы хотим. И в дальнейшем у этих различных фракций, растворов судьба складывается по-разному».
Россияне создали сверхэффективную молекулу. Лиганды, или, как говорят в России учёные, экстрагент, нужны, чтобы выделить из радиоактивных отходов самые опасные элементы, а потом переработать их или уничтожить.
Как это выглядит? После переработки отработанного ядерного топлива остаются уран, плутоний и высокоактивные отходы. Уран и плутоний идут в новый топливный цикл. Отходы разделяют на продукты деления. Например, цезий, стронций и редкоземельные элементы и трансплутониевые элементы америций и кюрий. Делают это на предприятии «Маяк» в Челябинской области в так называемых горячих камерах. С высокоактивными отходами можно работать только с помощью стальных манипуляторов за непроницаемым для радиации стеклом.

Юрий Ворошилов
Руководитель группы технологической лаборатории ЦЗЛ ФГУП ПО «Маяк»:
«Мы можем извлекать целевые компоненты специальным рабочим раствором, который называется экстрагент. Целевыми элементами у нас являются редкоземельные элементы и трансурановые элементы, такие какамериций и кюрий».
Редкоземельные элементы лантан, церий и прочие, которых насчитывается 17 наименований, атомщики называют осколками. Их просто-напросто захоранивают, несмотря на то что период их полураспада доходит до сотни лет. А вот у америция, например, период полураспада 7,5 тысячи лет, и он крайне радиоактивен, кюрий тоже. Как их захоронить?

Степан Калмыков
Профессор, и.о. декана химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова:
«Мы говорим о десятках, о сотнях тысячах лет, а сейчас уже даже говорят о миллионе лет, на которые мы должны гарантированно создавать инженерные системы, обеспечивающие безопасность. Именно поэтому пока не существует ни одного лицензированного глубинного хранилища радиоактивных отходов на такие времена».
Америций можно использовать в атомной промышленности. И кюрий тоже. Но проблема в том, что при выделении из высокоактивных отходов эти очень близкие по химическим свойствам элементы сильно перемешаны.

Александр Машкин
Начальник технологической лаборатории ЦЗЛ ФГУП ПО «Маяк»:
«Эти элементы с очень близкой химией. Их разделение практически очень сложное и затратное. Однако учёным МГУ удалось синтезировать специальное вещество, так называемый лиганд, который позволяет решить эту проблему».
Учёные проводят испытание на особой экстракционной установке уже не на молекулярном уровне, а с объёмом веществ, который можно измерить в граммах. Наглядные эксперименты показали, что лиганд работает. Технологию ещё предстоит довести до промышленного использования, говорят специалисты, но главное уже то, что лабораторные опыты подтверждаются.

Сергей Лукин
Заместитель начальника ЦЗЛ по науке ФГУП ПО «Маяк»:
«Никто до тебя ещё не синтезировал, никто не видел, и ты даже не знаешь, чего от него ожидать.  Да, были проведены какие-то эксперименты теми же специалистами МГУ, но они были оценочные, они были опытные. А в боевые условия – это мы».
Как выглядят самые опасные компоненты высокоактивных отходов, которые получаются при переработке отработанного ядерного топлива? Это по-своему розоватый в растворе америций и жёлтый кюрий. Журналистам обычно показывают имитацию: растворы кобальта и железа, поскольку с реальными кюрием и америцием можно работать исключительно в мощной свинцовой защите. И для того, чтобы сделать их менее опасными, даже использовать впоследствии, как тот же кюрий, и нужны вещества под названием лиганды. Главная сложность в том, что если искать лиганды, так сказать, вручную, синтезируя вещества, то один за другим приходится перебирать сотни вариантов. Это затратно и очень долго.

Юрий Устынюк
Заслуженный профессор МГУ, заведующий лабораторией химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова:
«Дмитрий Николаевич Лайков в своё время начал разрабатывать программу квантово-химических расчётов сложных молекул. Мы решили попробовать рассчитать, промоделировать свойства экстрагентов с помощью квантовой химии высокого уровня. В отличие от иностранных коллег, которые до сих пор так и не достигли результата, в прошлом аспирант, а ныне профессор Лайков с задачей справился. Затем с помощью мощных компьютеров Московского университета удалось получить вот это самое вещество, которое не только обладает всеми свойствами, нужными для экстракции, но ещё и потрясающей радиационной стабильностью».
Если выделенный из высокорадиоактивных отходов с помощью лиганда америций облучить в нейтронном потоке, он трансмутирует, то есть его можно будет дожечь, уничтожить в реакторе на быстрых нейтронах. Кюрий не трансмутирует, но после так называемой выдержки примерно в 80 лет может быть переработан или путём облучения в реакторе из него сделают калифорний, очень мощный источник нейтронов, незаменимый, например, в медицине. Надо добавить, что на создание нового вещества ушло всего 5 лет, компания «Иннопрактика» собрала уникальный научный коллектив, команду специалистов из самых разных отраслей – от математиков-теоретиков до прикладных радиохимиков.

Наталья Ильина
Директор по управлению научно-техническими программами и проектами ГК «Росатом»:
«Данное направление находится на острие научно технологического соревнования. Важно, что мы сегодня находимся на шаг впереди. Мы сумели сформировать команду проекта, куда входили представители не только Росатома, но и вузов, МГУ, представителей институтов академии наук, такую общенаучную команду, которая, взаимодействуя друг с другом, обменивалась знаниями, компетенциями, результатами. От теории к практике в постоянном режиме на ежедневной основе. Это тоже помогло нам решить эту задачу в очень короткий срок и успешно».

Степан Калмыков
Профессор, и.о. декана химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова:
«Вот реактор работает, он отрабатывает топливо. Представьте себе: какой-нибудь небольшой стране необходимо разработать инженерную систему для решения проблемы переработки отработавшего топлива. А мы же можем предложить такую услугу: мы забираем это топливо, перерабатываем, выжигаем эти долгоживущие компоненты либо в реакторе-мусорщике, который сейчас тоже разрабатывается в Росатоме, либо в реакторе на быстрых нейтронах, а затем возвращаем в страну-эксплуатант атомной станции только короткоживущие отходы, которые образовались».
История с лигандами – пример того, как фундаментальное исследование на глазах превращается в рабочую технологию, которая в будущем может дать серьёзный экономический эффект. Вдобавок в исследованиях по лигандам в лаборатория МГУ накопился принципиально новый багаж знаний о процессах, связанных с разделением близких по химическим свойствам элементов. Создана база экспериментальных данных, университетский суперкомпьютер может определять свойства ранее неизвестных молекул, стоит лишь ввести параметры. Это хороший трамплин для научной мысли. В итоге новое вещество, для которого пока даже нет названия, способно перевернуть всю систему хранения радиоактивных отходов после выделения самых опасных составляющих. От них не останется и следа через пару сотен лет. Это совсем немного по меркам атомной промышленности. Позади сложнейшие квантово-химические расчёты, завершены лабораторные опыты, уже на финальной стадии масштабные эксперименты на предприятии «Маяк». До передачи новейших лиганд в широкую радиохимическую практику остаётся совсем немного.