Фундаментальное материаловедение

Исследование поведения частиц металлического железа в условиях хранилищ
радиоактивных отходов
Романчук А.Ю.
студентка
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
E–mail: annr11@yandex.ru
Испытания ядерного оружия, деятельность предприятий ядерного топливного
цикла (ЯТЦ), сбросы радиоактивных отходов и отработавших реакторных сборок в
моря, привели к повсеместному загрязнению окружающей среды техногенными
радионуклидами, в том числе трансурановыми элементами. Одной из главных задач
современной атомной энергетики является развитие и совершенствование технологий
обращения с отработанным ядерным топливом (ОЯТ) и захоронения радиоактивных
отходов (РАО), а также вывод из эксплуатации ядерных объектов. Перспективным для
очистки подземных вод является создание проницаемых реакционных барьеров,
состоящих из частиц металлического железа, которые могут быть получены in-situ в
подземных горизонтах. Однако, данный подход до сих пор не был реализован для
очистки подземных вод от радионуклидов. Остается открытым вопрос о механизме
взаимодействия различных ионов в тех или иных геохимических условиях, а также
маршруты фазовых изменений в системе.
Целью данной работы является определение закономерностей поведения
металлического железа в зависимости от его концентрации и условий среды и, а также
исследование механизмов взаимодействия радионуклидов с частицами железа.
Частицы металлического железа были получены восстановлением FeCl3·6H2O
раствором NaBH4 по реакции:
Fe(H2O)6 3+ + 3NaBH4 + 3H2O → Fe 0 + 3H3BO3 + 3Na + + 10,5H2 .
Эксперименты проводились с варьированием исходных концентраций реагентов и
в различных средах: в дистиллированной воде, 0,1М растворе NaNO3 и подземной воде,
отобранной на территории ПО «Маяк». Были также проведены эксперименты с
добавлением U(VI), с использованием раствора смеси изотопов 233 U и 232 U.
В течение эксперимента регистрировались изменения значений pH и Eh раствора. С
помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) была определена морфология
полученных частиц на различных этапах из фазовых изменений. С помощью уравнения
БЭT по адсорбции азота при –195ºС была определена их свободная удельная
поверхность. Состав образца после окисления кислородом воздуха определялся с
помощью рентгенофазового анализа.
Было установлено, что чем выше концентрация реагентов, тем дольше частицы
металлического железа были устойчивы к окислению кислородом воздуха. С помощью
РФА было определено, что исходная концентрация реагентов также влияет на фазовый
состав продуктов окисления. Так в случае исходной концентрации FeCl3·6H2O равной
1М, окисление происходит через образование маггемита, в то время как при более
низких концентрациях (0,1 и 0,01 М) – через образование фазы лепидокрокита.
Было определено, что изменение состава раствора влияет на скорость окисления
металлического железа, однако влияния на фазовый состав осадка после окисления не
выявлено.
В экспериментах с добавлением урана с помощью жидкостной экстракции было
установлено, что уран в течение всего эксперимента в растворе остается в
шестивалентном состоянии. Было также определено, что сорбция во время образования
металлического железа достигает 95%, однако со временем это значение падает, что
можно связать с понижением pH при окислении частиц железа.
Работа поддержана грантом Федерального Агентства по Науке и Инновациям (госконтракт
02.516.11.6138)