В «Росатоме» научились получать драгметаллы из ядерных отходов

В Радиевом институте им. Хлопина придумали способ выделять металлы платиновой группы (МПГ) из отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Рутений, родий и палладий образуются при делении урана и накапливаются в облученном топливе. При его переработке эти металлы платиновой группы «мигрируют» в жидкие высокоактивные отходы и на стадии остекловывания образуют труднорастворимые твердые фазы, которые нарушают однородность стекломассы, ухудшают теплообмен и ускоряют износ плавильных установок. Универсального и экономически приемлемого способа извлечения МПГ до сих пор не существовало. Решение предложила группа под руководством ведущего научного сотрудника Владимира Королева и научного сотрудника Полины Давыдовой.

Универсальный сорбент

Для извлечения материалов из ОЯТ преимущественно используют метод экстракции, когда элемент переходит из жидкости (азотнокислого раствора) в органику (экстрагент). Но единый экстрагент для всех МПГ науке не известен, так как химия рутения и родия в азотнокислых средах до конца не изучена.

«Мы же исследовали метод сорбции, — рассказывает Полина Давыдова. — Сорбент, твердый поглощающий материал, притягивает металлы из сложных растворов. В качестве сорбента мы использовали старый добрый гексацианоферрат железа, или берлинскую лазурь, разновидности которого применяются и в радиохимии. Но так извлекался только палладий. Наша рабочая группа решила изменить методику приготовления поглотителя». Ученые взяли ферроцианидные сорбенты, которые в атомной отрасли применяют для извлечения цезия. У них повышенное содержание калия — именно он обеспечивает эффективную сорбцию цезия. «В нашем случае калия получилось меньше, за счет этого изменилась структура сорбента, изменилось окружение железа. Также сорбцию мы проводили при повышенной температуре, 80 °C, и именно это увеличило эффективность извлечения рутения и родия», — объясняет Полина Давыдова.

Изучая литературу, исследователи обратили внимание, что в 2018 году, на год раньше начала описываемых работ, японцы предложили способ извлечения МПГ с помощью гексацианоферрата алюминия. Степень извлечения палладия была высокой, однако эксперименты проводились при комнатной температуре, при которой рутений и родий не извлекаются. Таким образом, два ключевых фактора — изменение условий синтеза и температура — сделали российский сорбент магнитом для всех трех элементов.

Послереакторная судьба

Следующий шаг — обкатка технологии в промышленности. «Мы ожидаем, что специалисты предприятий, перерабатывающих ОЯТ, заинтересуются нашим простым и элегантным способом одновременного извлечения платиновых металлов, поэтому хотим как можно скорее отработать технологию на значимом объеме высокоактивных отходов», — говорит Полина Давыдова.

Радиоактивный раствор, из которого удалят МПГ, будет направлен на остекловывание, а вот вопрос о судьбе драгоценных металлов остается открытым. Ученые Радиевого института придумали, как перевести их в форму, пригодную для длительного хранения или захоронения. «Но на конференциях коллеги возмущаются: «Как?! Это же драгоценные металлы, их же можно использовать!»» — говорит Полина Давыдова.

Применение реакторного палладия вне атомной отрасли нецелесообразно: он содержит палладий‑107 с периодом распада миллионы лет. Отделять его сложно и дорого. Но реакторный палладий можно использовать в атомной промышленности, например в каталитических дожигателях водорода на атомных станциях.

У рутения и родия тоже есть радиоактивные изотопы, но в процессе переработки ОЯТ они распадаются. Потенциально реакторные рутений и родий пригодны для широкого применения: в электронике, химической и нефтехимической промышленности.

Подход Радиевого института к выделению МПГ позволит сохранить ценные металлы. «Концентрации некоторых из них в ОЯТ в десятки раз выше, чем в природных рудах. Если палладий сейчас в целом не дефицитен, то родий — чрезвычайно ценный благородный металл, который не встречается в чистом виде. И по некоторым оценкам, в накопленном ОЯТ его уже больше, чем в недрах Земли. Если технологии очистки довести до промышленности, реакторные металлы закроют дефицит на мировом рынке. А это миллиарды долларов, буквально золото из отходов», — подытоживает председатель диссертационного совета, ученый секретарь Радиевого института Игорь Смирнов.

Хранить нельзя использовать

«Одной из причин, по которым в СССР работы по выделению платиноидов из ОЯТ не получили промышленного развития, были ограничения, связанные с принадлежностью этих металлов к категории драгоценных и стратегических материалов, а также отсутствием нормативной базы для обращения с реакторными изотопами палладия и родия», — писал в 2001 году знаменитый радиохимик академик РАН Борис Мясоедов в журнале «Радиохимия».

Игорь Смирнов вспоминает: «На «Маяке» в 1980‑е годы по технологии Радиевого института из высокоактивных отходов выделили несколько килограммов реакторного палладия и поместили в хранилище. Через какое-то время его просто вернули в отходы и остекловали, потому что системы учета радиоактивных веществ и драгоценных металлов никак не совпадали». И не совпадают до сих пор: юридически статуса «реакторный металл» не существует, оборот платиноидов регулируется федеральным законом «О драгоценных металлах и драгоценных камнях».

Радиохимики отмечают, что реакторные металлы содержат долгоживущие следовые изотопы, которые невозможно полностью удалить или однозначно идентифицировать по происхождению. При этом химически и технически реакторные неотличимы от обычных платиновых металлов, что создает риск неконтролируемого оборота радиоактивных веществ. По мнению ученых, в России нужен общий фонд реакторных платиновых металлов с регулируемыми сферами применения, система контроля их оборота и нормативная база. «Другая проблема — общественное восприятие, — добавляет Полина Давыдова. — Люди боятся радиоактивных материалов. Даже если металл безопасен, попробуй предложи кольцо «из реактора». Надо вести разъяснительную работу, показывать безопасность».