Науковці НАН України розробили новий підхід до застосування геополімерів на основі металургійних шлаків і метакаоліну під час кондиціювання опроміненого графіту (реактори Чорнобильської атомної електростанції) і боровмісних рідких радіоактивних відходів (реактори типу ВВЕР атомних електростанцій України).
Найважливіша складова наукової діяльності цієї академічної установи – фундаментальні та прикладні дослідження, спрямовані на вирішення актуальних проблем і перспектив розвитку сфери поводження з радіоактивними відходами (РАВ) та відпрацьованого ядерного палива (ВЯП) в Україні. Особливою актуальною є проблема поводження із графітом активних зон уран-графітових реакторів: у світі накопичилося вже близько 250 тисяч тон опроміненого реакторного графіту (ОРГ), який потребує відповідного й безпечного поводження. Наявність ОРГ обумовлена експлуатацією чотирьох уран-графітових канальних реакторів РБМК-1000 у складі Чорнобильської атомної електростанції.
Учені Інституту геохімії навколишнього середовища НАН України експериментально встановили, що застосування геополімерів на основі металургійних шлаків і метакаоліну під час кондиціонування опроміненого графіту (реактори Чорнобильської АЕС) і боровмісних рідких радіоактивних відходів (реактори ВВЕР АЕС України) дає змогу отримати компаунди, які відповідають нормативним вимогам щодо безпечного захоронення радіоактивних відходів у приповерхневих і глибинних сховищах. Ці дослідження здійснювалися за ґрантами Європейського Союзу та Міжнародного агентства з атомної енергії (МАГАТЕ). Роботу виконав колектив учених Інституту у складі наукового співробітника Юрія Федоренка, старшого наукового співробітника Бориса Злобенка, наукового співробітника кандидата геологічних наук Алли Розко та доктора технічних наук Юрія Ольховика.
 Опромінений графіт Чорнобильської АЕС |
Опромінений графіт становитиме небезпеку впродовж десяти періодів напіврозпаду біологічно небезпечного радіонукліду 14С – ще 57 300 років. При цьому сумарна активність радіовуглецю у напрацьованому реакторному графіті в світі (730 ПБк (петабекерелів)) майже втричі більша за ту, що утворилася при атомних вибухах (249 ПБк). Отже, безпечне поводження з накопиченим у світі реакторних графітом – це глобальна проблема, яку за актуальністю можна порівняти із забороною на випробування ядерної зброї. Радіоактивна забрудненість деталей графітової кладки реактора визначається передусім вмістом 14С, а також радіонуклідів технологічного походження (3Н, 36Cl, 55Fe, 59Ni, 60Co тощо) і продуктів поділу палива (137Сs, 90Sr) та ядерних реакцій у активній зоні реактору (241,243Am, 239,241Pu тощо) внаслідок потрапляння фрагментів палива у графітну кладку реактора. Поводження з реакторним графітом є окремою і доволі складною проблемою при виведенні з експлуатації ядерних реакторів типу РБМК. Тому вкрай важливо розробити способи його кондиціонування .
Необхідність кондиціонування реакторного графіту та його зберігання/захоронення після виведення з експлуатації уран-графітових реакторів потребує пошуку реальних технологічних рішень. Загальноприйнято, що радіоактивний графіт, в основному, є відходами середнього рівня (ILW), які будуть інкапсульовані для іммобілізації радіоактивних елементів на час зберігання. Сучасні дослідження в галузі іммобілізації РАВ полягають у використанні геополімерів – твердих алюмосилікатних матеріалів, що зазвичай утворюються внаслідок активації гідроксидами лугу або силікату лугу твердими попередниками (золою, кальцинованою глиною та металургійним шлаком). Що стосується їх застосування для іммобілізації ОРГ, то зазначені компаунди вогнестійкі, морозостійкі та стійкі до дії кислот, демонструють низьку швидкість вилуговування небезпечних радіоізотопів і мають високу початкову міцність.
 Інноваційні дослідження особливостей отриманих геосинтетичних композитів для безпечної ізоляції графітовмісних РАВ |
Встановлено, що застосування геополімерних зв’язуючих, до складу яких у різних співвідношеннях входять зола, шлак, луги (КОН), рідке скло при кондиціонуванні ОРГ, дозволяє отримати компаунди, котрі мають межу міцності на стиск, що відповідає нормативним вимогам. Усі характеристики компаундів пов’язані між собою складом і способом виготовлення. Зміна складу для поліпшення певної характеристики одночасно змінює інші, тому важливо вивчати кожну характеристику геополімерних компаундів та її залежність від їхнього складу.
Перспективність застосування геополімерів для кондиціювання ОРГ ґрунтується на таких положеннях:
– геополімерні матеріали дозволяють створити зразки з межею міцності понад 20 МПа;
– у геополімерних матеріалах радіоактивні катіони можуть вбудовуватись у кристалічну цеолітоподібну структуру, фіксуватись у ній і таким чином значно знижувати швидкість вилуговування;
– завдяки зниженій кількості зв’язаної води забезпечується підвищення радіаційної стійкості та морозостійкості геополімерних компаундів;
– матеріали для геополімерів дуже поширені, мають інфраструктуру отримання і переробки (глини, цеоліт і т.д.), а, крім того, у геополімерах можуть використовуватися дисперсні матеріали техногенного походження (золи, шлаки тощо);
– експериментально встановлено, що з часом міцність геополімерів зростає у 1,5–2 рази;
– при виготовленні геополімерів не утворюється, як при виробництві портландцементу, велика кількість СО2, що в умовах глобального потепління важливо враховувати.
Потенційним споживачем цієї інноваційної продукції є Чорнобильська АЕС. Як відзначає МАГАТЕ, більшість країн схиляються до захоронення графіту у сховищі.
За інформацією Інституту геохімії навколишнього середовища НАН України