МУРАТАИТ - УНИВЕРСАЛЬНАЯ МАТРИЦА ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ АКТИНИДОВ

Abstract

Для иммобилизации актинидных отходов ядерного топливного цикла предложена новая разновидность матриц на основе искусственных фаз, структура которых близка к таковой у природного минерала му-ратаита. Последний представляет собой титанат натрия, кальция, редких земель, цинка и ниобия со структурой, производной от решетки флюорита. Он является очень редким минералом, обнаруженным в щелочных пегматитах Колорадо и Прибайкалья. Искусственные муратаитоподобные фазы содержат марганец вместо цинка, актиниды и цирконий вместо натрия, кальция и ниобия. Установлены их разновидности с трех- (как у минерала), а также пяти-, семи- и восьмикратной повторяемостью решетки по отношению к флюоритовой ячейке. Соответственно среди искусственных муратаитов выделяются структурные разновидности МЗ, М5, М7, М8. Содержание актинидов, редких земель (РЗЭ) и циркония снижается в ряду: муратаит М7 - муратаит М5 - муратаит М8 - муратаит МЗ, но при этом в них возрастают количества титана, алюминия, железа и галлия. Муратаитовые керамики обладают высокой химической и радиационной устойчивостью. Скорость выщелачивания из них урана, тория и плутония водой при 90°С в статических и динамических тестах составляет 10-6 - 10-5 г/м в сутки. Эти значения меньше, чем у других консервирующих матриц актинидов, например, на основе цирконолита или пирохлора. По радиационной прочности муратаит близок к другим титанатам. Аморфизация его решетки при 25°С наступает при дозе облучения 2 х 1018 а-распад/г (или 0.2 смещ/атом). Матрицы на основе муратаита синтезируются за несколько часов методом холодного прессования - спекания при 1300°С или плавления при 1500-1600°С и последующей кристаллизации. При использовании плавильной технологии, в том числе индукционного плавления в холодном тигле, были получены образцы с зональными зернами муратаита. Центральная их зона сложена структурной разновидностью М5 или М7, промежуточная - М8, а периферическая - МЗ. Максимальными концентрациями актинидов, циркония и РЗЭ характеризуется внутренняя зона, минимальными - периферическая. Так содержания U, Th и Рu в центральной и краевой частях зерен различаются в 3-5 раз, а количества нерадиоактивных элементов - Ti, Al, Fe и Ga - изменяются противоположным образом. Такое распределение будет препятствовать выносу актинидов в окружающую среду при взаимодействии матрицы с раствором после ее размещения в подземном хранилище. В муратаитовую матрицу могут быть инкорпорированы: отдельные актиниды (Np, Pu, Am); актинид-цирконий-редкоземельная фракция высокоактивных отходов (В АО); Am-Ga-остатки от конверсии оружейного плутония в уран-плутониевое МОКС-топливо; а также другие типы ВАО с высоким содержанием актинидов, РЗЭ и продуктов коррозии (Mn, Fe, Al, Zr). В тонну такой керамики можно включить до 350 кг компонентов ВАО. Ближайший ее аналог - это матрица актинидов, состоящая из титанатов с пирохлоровой структурой. Преимущество муратаита по сравнению с пирохлором - его универсальность, т.е. возможность использования при утилизации более широкого круга актинидсодержащих высокорадиоактивных отходов.