Развитие ядерной энергетики приводит к накоплению отработанного ядерного топлива (ОЯТ), которое может быть напрямую захоронено в геологической среде (открытый ядерный топливный цикл) или переработано с возвратом делящихся изотопов в ядерный цикл (замкнутый ядерный топливный цикл). Переработка ОЯТ приводит к накоплению радиоактивных отходов, которые также подлежат захоронению в геологической среде. Подобные хранилища размещают как в приповерхностных, так и глубинных геологических формациях, изолированных от источников природных вод. Так как хранилища должны обеспечивать изоляцию радионуклидов от среды обитания человека в течение сотен тысяч лет, то это требует необходимости учитывать сценарии изменения геологических условий и предсказывать поведение захороненных отходов и ОЯТ при попадании в хранилища природных вод. При этом необходимо учитывать, что в ближней зоне хранилищ реализуются высокие радиационные и температурные поля.
На кафедре радиохимии Химического факультета МГУ и в Институте Физической Химии и Электрохимии им. А.Н. Фрумкина был проведен эксперимент по исследованию долгосрочного поведения диоксида урана (который является основным компонентом ОЯТ) в природной воде при различных температурах (комнатная температура, 70 ºС и 150 ºС). С использованием РФА и EXAFS спектрометрии было установлено, что при 70 ºС в первые месяцы преобладает процесс объемного окисления UO2 до UO2,25 без образования вторичных фаз, содержащих U (VI), тогда как при 150 ºС наблюдается образование UO3 (скупит) при отсутствии объемного окисления UO2. С использованием ПЭМ высокого разрешения было установлено, что образующиеся наноразмерные кристаллы UO3 покрывают поверхность UO2 (Рис. 1), по-видимому, предотвращая диффузию кислорода в его объем.
Эти результаты вызвали необходимость подробного спектрального исследования наночастиц актинидов различного размера и состава. В лабораторных условиях наночастицы (2 - 3 нм) оксидов актинидов получали с использованием в качестве твердофазного темплата аморфного мезопористого диоксида кремния с различным распределением пор по размерам. Использование твердофазного темплата, в отличие от предпринятых ранее попыток получить коллоидные частицы оксидов и гидроксидов актинидов в растворе, позволяет получить частицы с относительно узким распределением их по размеру, а так же получить как аморфные, так и кристаллические частицы нанометрового размера. Распределение частиц по размерам и их кристалличность были исследованы методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (Рис. 2А), а локальная структура исследовалась методами рентгеновской спектрометрии поглощения - XANES и EXAFS. Наблюдали уменьшение интенсивности белой линии и уменьшение интегрированной площади под белой линией при переходе от кристаллических оксидов актинидов к нанокристаллическим (Рис. 2Б). Подобную зависимость наблюдали как для оксидов U(VI), так и для оксидов Th(IV). Полученные результаты можно объяснить уменьшением плотности состояний энергетических уровней, на которую влияет соотношение объем/поверхность - энергетические уровни для атомов в поверхностном слое имеют отличные значения, от атомов, находящиеся в объеме. Для наночастиц вклад атомов поверхности в общую плотность энергетических состояний становится существенным. Исследование влияния размера частиц на форму и интенсивность белой линии имеет высокое прикладное значение, поскольку позволит проводить анализ коллоидных частиц актинидов не только в синтетических материалах, но и в реальных природных объектах и расширяют наши представления о свойствах и устойчивости наночастиц.
ничего не понимаю