В ДВФУ и ДВО РАН разработали материал для безопасных "атомных батареек"

«Батарейка» представляет из себя сверхпрочную керамическую матрицу с заключенным в ней высокоэнергетическим радионуклидом стронция-90 (⁹⁰Sr). Материал изготовлен методом импульсного плазменного спекания под высоким давлением, отвечает требованиям к отвержденным радиоактивным отходам (ГОСТ Р 50926-96) и может служить надежным радиоактивным источником автономного электропитания для навигационного оборудования (маяков, радиомаяков, световых знаков) и метеостанций Северного морского пути (СМП). Статья об этом опубликована в Nuclear Engineering and Technology. 

Стабильная пропускная способность и точность навигации на Северном морском пути может быть гарантирована сетью автономных морских навигационных устройств, работающих на радиационных источниках тока (РИТах). Наиболее перспективны РИТ-элементы на основе высокоэнергетического радионуклида стронций-90 (⁹⁰Sr, РИТ-90). Тепловая энергия его радиоактивного распада преобразуется в термоэлектрогенераторами в электрическую. 

Ученым ДВФУ и ДВО РАН удалось создать керамический материал с высокой механической прочностью, микротвёрдостью и термоустойчивостью, который необходим для безопасного, без угрозы загрязнения окружающей среды, размещения активных зон со стронцием-90. Энергетическая установка («изотопная батарейка»), произведенная из разработанной керамики – один из примеров мирного применения ядерных технологий. 

«РИТ-90 — закрытый источник ионизирующего излучения, где в качестве активной композиции применяют стронциевое боросиликатное стекло (⁹⁰SrTiO₃), не идеальный материал-кандидат, поскольку он подвержен ветрификации с последующим механическим разрушением. Несмотря на защиту капсулы с активной зоной от внешних воздействий, сложившаяся система обращения с РИТ-90 не гарантирует физической защиты РИТ-элемента. Авария, несанкционированное извлечение или террористический акт могут привести к разрушению активной зоны РИТ, выбросу ⁹⁰Sr в окружающую среду, в том числе в морскую воду. Радионуклид таким образом может быть вовлечен в пищевую цепочку «донные микроорганизмы – водоросли – рыба. Разработанная ДВФУ и ДВО РАН композиция керамической матрицы надежно защищает активную зону со стронцием-90, что бы ни случилось», — говорит один из авторов работы Иван Тананаев, директор Школы естественных наук (ШЕН) ДВФУ. 

Ученый напомнил, что любые техногенные радионуклиды, поступившие в Мировой океан, фиксируются биотой. Радиоцезий (¹³⁷Cs) аккумулируется в фитопланктоне (главным образом, диатомовых), макрофитах, прибрежных бурых и красных водорослях, мягких тканях беспозвоночных и рыб. Радиоиттрий накапливается в оболочке икры рыб, в водорослях, ракообразных, в раковинах моллюсков, церий-144 (¹⁴⁴Ce) – в водорослях, актиниях, в теле моллюсков. Радиоактивный изотоп йода (¹³¹J) – в водорослях и т. д. При этом, если в рыбах коэффициент накопления радионуклидов невысок, но для желтков яиц водоплавающей птицы он превышает миллион единиц. Стронций-90 накапливается лучевиками, одноклеточными планктонами, которые концентрируют его в отростках-спикулах, некоторыми зелеными водорослями, всеми видами бурых водорослей, в панцирях ракообразных и раковинах моллюсков. 

Действующая с 1991 г. программа «Совместное сокращение угрозы» Конгресса США рассматривает РИТы как угрозу распространения радиоактивных материалов для создания «грязной бомбы». МАГАТЭ относит такие элементы к категории высокого риска, поскольку один РИТ-элемент на основе стронция 90 может быть опасен на протяжении более чем 1000 лет. 

Ученые ДВФУ и ДВО РАН под руководством Евгения Папынова (Институт химии ДВО РАН), используя метод реакционного искрового плазменного спекания (ИПС) минералоподоных керамических систем, смогли получить устойчивую композицию керамической матрицы, которая надежно защищает активную зону со стронцием-90. Матрица способна «удерживать» радиацию даже в случае аварии и попадания РИТ-элемента в объекты окружающей среды, в том числе, в пресную и морскую воду. 

В основе ИПС-подхода — консолидация порошковых материалов за счет высокоскоростного разогрева и уплотнения. Методика позволяет сохранить микрозеренную структуру итогового материала, его высокую твердость, прочность и низкую скорость выщелачивания радионуклида в средах с различной кислотностью. Технологический подход разрабатывается совместно специалистами ДВФУ и Института химии ДВО РАН. 

По мнению исследователей, полученный керамический материал также может быть рекомендован в качестве источников ионизирующего излучения на основе ⁹⁰Sr для производства на ФГУП «ПО «Маяк». 

Работа ведётся в рамках государственных заданий Минобрнауки РФ и научных проектов Российского фонда фундаментальных исследований. 

Новые материалы для разных областей применения — одно их приоритетных направления ДВФУ. Недавно учёные университета разработали керамические материалы для высокомощных светодиодных систем.