microbik.ru
1 2 ... 4 5


Федеральное государственное унитарное предприятие
«Производственное объединение «Маяк»
Российская академия наук, Уральское отделение
Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Межведомственный научный совет по радиохимии при ГК Росатом и Президиуме РАН


Первое научно-практическое
совещание:

«НАНОИНДУСТРИЯ И НАНОМАТЕРИАЛЫ В РАДИОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»
Тезисы докладов
1-4 июня 2009 года

Озерск

2009

УДК 541.15(063)
Первое научно-практическое совещание «Наноиндустрия и наноматериалы в радиохимической технологии»: Тезисы докладов. г. Озерск, 1-4 июня 2009 г. – Озерск: РИЦ ВРБ ФГУП «ПО «Маяк». 2009. – с.

Сборник содержит тезисы докладов, представленные участниками первого научно-практического совещания «Наноиндустрия и наноматериалы в радиохимической технологии».

ISBN 978-5-903159-17-8 © РИЦ ВРБ ФГУП «ПО «Маяк», 2009

ДОРОГИЕ ДРУЗЬЯ И КОЛЛЕГИ!



С уважением,

С.И. Ровный

СОДЕРЖАНИЕ

Перспективы развития наноматериалов для решения проблем радиохимической технологии и радиоэкологии 7

А.Ю. Цивадзе, Б.Г. Ершов, И.Г. Тананаев, Ровный С.И. 7

Основные результаты совместных исследований ИФХЭ РАН – ФГУП «ПО «Маяк» в области нанотехнологий 11

И.Г. Тананаев1, С.И. Ровный2 11

Получение и исследование состояния наночастиц Tc, Tc-Ru и Tc-Mo на керамических носителях 15

К.Э. Герман, Н.Н. Попова, В.П. Тарасов, Я.А. Обручникова, М.С. Григорьев, В.Ф. Перетрухин, И.Г. Тананаев 15

Селенсодержащие наноматериалы для радиопротекторов 19

Г.Э. Фолманис1, Л.В. Коваленко1, И.Г. Тананаев2 19

Создание структурно-информационной технологии получения металлов (железо, медь) в нанодисперсном состоянии и повышение иммунного ответа организма на введение наночастиц с целью обеспечения радиационной защиты организма 23

И.Г. Тананаев1, Л.В. Коваленко2, Г.Э. Фолманис2 23

Ретроспективная ЭПР дозиметрия жителей прибрежных территорий р. Теча 26

Д.В. Иванов1, В.В. Устинов1, Е.А. Шишкина2, М.О. Дегтева2, P. Fattibene3, A. Wieser4 26

Применение пенографита при отверждении отходов тритийсодержащих масел 29

А.Б. Сазонов, А.В. Алешина, Э.П. Магомедбеков 29

Синтез и экстракционные возможности микрокапсулированных систем для извлечения металлов в низкоразмерном состоянии 32

А.Г. Широкова, С.П. Яценко 32

Нанотехнология молекулярного наслаивания и некоторые направления ее применения 35

А.А. Малыгин 35

Синтез новых эффективных и селективных нанопористых сорбентов для концентрирования, разделения и выделения продуктов переработки отработанного ядерного топлива 39

В.Е. Баулин1,2, Д.В. Баулин1,2, А.Н. Усолкин3, Л.А. Маркова3, А.Ю. Цивадзе1 39

Материал для поглощения нейтронов 41

А.И. Сырцев, А.А. Соколов, В.Н. Усов, А.Ю. Кузин 41

Разработка научно-технических основ дезактивации грунтовых и поверхностных вод от радионуклидов и тяжелых металлов на основе неорганических сорбентов нового поколения 45

Е.Н. Аврорин1, Н.М. Барышева1, Н.А. Овчинников1, А.Г. Цветохин1, В.Г. Бамбуров2, Е.В. Поляков2, Г.П. Швейкин2, Г.Г. Михайлов3, И.Ю. Пашкеев3 45

Перспективы развития наноматериалов для решения проблем радиохимической технологии и радиоэкологии

А.Ю. Цивадзе, Б.Г. Ершов, И.Г. Тананаев, Ровный С.И.

Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

ИФХЭ РАН является известным научным центром, в котором в течение многих лет проводятся систематические исследования в области синтеза, изучения физико-химических свойств и практического применения наноматериалов. Одним из перспективных научных направлений ИФХЭ РАН является развитие нанотехнологий и синтеза перспективных наноматериалов в области радиохимической технологии. В настоящем докладе будет представлены новые научные достижения в указанных выше областях для их практического воплощения на радиохимическом производстве ФГУП «ПО «Маяк».

Одним из основных научных событий последнего десятилетия 20-го века в области материаловедения стало открытие углеродных нанотрубок, обладающих рядом уникальных физических и физико-химических свойств. Однако до настоящего времени в литературе отсутствовали данные, касающиеся синтеза и исследования наноматериалов на основе урана и трансурановых элементов. Вместе с тем, создание таких материалов представляется крайне важным ввиду уникальных электронных свойств актинидов в сочетании с высокой удельной поверхностной энергией наночастиц. Недавно в ИФХЭ РАН и Санкт-Петербуржском Университете под руководством профессора С.В. Кривовичева были получили и исследовали два новых соединения шестивалентного урана, K5[(UO2)3(SeO4)5](NO3)(H2O)3.5 и (C4H12N)14[(UO2)10(SeO4)17H2O], содержащих пористые нанотрубчатые образования [1-2]. В настоящее время проводятся систематические исследования в области получения нанотубуленов актинидных элементов. Полученные ранее результаты показывают, что изолированные антинидсодержащие нанотрубки могут быть использованы в качестве матриц для иммобилизации урана, трансурановых элементов и продуктов деления.

В ИФХЭ РАН проводятся исследования по методам получения, изучению физико-химических свойств диоксидов урана и трансурановых элементов в нанодисперсном состоянии, которые имеют исключительное значение в радиохимической технологии и атомной энергетике. В ФГУП «ПО «Маяк» недавно было предложено использовать нанодисперсные порошки UO2 для производства топливных композиций. Наши совместные исследования показали, что введение наноструктурированной фракции диоксида урана к товарному UO2 приводит к существенному повышению «керамичности» ядерного топлива, повышая ее плотность и однородность образовавшихся твердых растворов [3-4]. Однако до настоящего времени не найдены оптимальные методы получения нанофракций диоксида урана, что может стать возможным направлением совместного сотрудничества с ФГУП «ПО «Маяк». Кроме того, еще мало исследованы физико-химические свойства нанодисперсных порошков диоксидов актинидов, их реакционная способность в зависимости от способов получения и хранения. В этом же направлении кажутся перспективными исследования в области получения нанофракций PuO2, а также получения смешенного топлива. В планах совместного сотрудничества ИФХЭ РАН и ФГУП «ПО «Маяк» может стать изучение радиолиза матрицы оксидных топливных композиций для разработки создания условий безопасного их хранения и транспортировки.

Для переработки газообразных отходов в ИФХЭ РАН разработан гранулированный сорбент на основе силикагеля КСКГ, содержащий нанометровые частицы соединений Ag (торговая марка «Физхимин»). Данный сорбционный материал позволяет проводить извлечение различных форм радиоактивного иода (неорганические формы и иодистый метил) из парогазовой фазы с коэффициентами очистки не менее 103-104. По своим сорбционным характеристикам, как показали испытания на стенде фирмы TUV Sudwest (г. Карлсруэ, Германия), сорбент «Физхимин» превосходит аналогичные гранулированные сорбенты, в том числе «Baylith» (Bayer, Германия) и «Термоксид» (Россия). На основании различных, в том числе и крупномасштабных, испытаний фильтрационных устройств сорбционный материал «Физхимин» выбран в качестве одного из основных компонентов систем по управлению запроектными авариями на АЭС ВВЭР 440/230, ВВЭР-1000 (проект «АЭС-92»), а также разрабатываемых АЭС ВВЭР-1000 (проект «АЭС-2006») и ВВЭР-1500. В августе 2007 г. в рамках международного российско-индийского контракта в области атомной энергетики выполнена поставка 720 кг сорбционного материала «Физхимин» для фильтровальных модулей пассивной системы фильтрации аварийных фильтров, которые будут установлены на 1-ом и 2 ом блоках АЭС «Куданкулам» (Индия). Работы проводились совместно с ФГУП «Атомстройэкспорт», ФГУП «Красная звезда», Физико-энергетическим институтом (г. Обнинск), ФГУП «Атомэнергопроект», Обнинским центром науки и технологий, а также рядом других организаций Росатома. Можно полагать, разработанные в ИФХЭ РАН сорбенты могут найти практическое применение и на ФГУП «ПО «Маяк».

Разработка новых радиофармпрепаратов (РФП) остается одной из приоритетных задач современной медицины. Радикальный прогресс в создании диагностических и терапевтических РФП может быть достигнут на основе объединения опыта отечественной радиофармацевтики и потенциала современных нанотехнологий. С участием ИФХЭ РАН определены оптимальные условия протонного облучения ториевой мишени для получения Ас-225, Ra-224, Ra-223, а также разработаны эффективные методы их концентрировании и выделения. Впервые было получено более 1 мКи радиохимически чистого Ас-225 с использованием разработанного нами метода. Поскольку на ФГУП «ПО «Маяк» ведется ряд перспективных работ по извлечению радиоизотопов, применяемых в ядерной медицине, возможным путем совместного сотрудничества с ИФХЭ РАН может стать создание совместного инновационного центра по производству РФП, в том числе, с использованием нанолекарств.

ИФХЭ РАН в течение многих лет проводит исследования в области иммобилизации радионуклидов в твердые матрицы. Можно напомнить, что состав шихты применяемого до настоящего времени алюмофосфатного стекла был разработан в ИФХЭ РАН проф. Н.Е. Брежневой. В институте (совместно с МосНПО «Радон», проф. С.В. Стефановский) функционирует установка индукционного плавления в «холодном тигле», позволяющая проводить испытания новых минералоподобных матриц для иммобилизации радиоактивных отходов, содержащих уран и трансурановые элементы. Известно, что перспективным способом повышения качества образующихся матриц, упрочнения их механической устойчивости, является введение в шихту нанофракции исходных компонентов. Поиск перспективных матриц с применением наноматериалов может стать перспективным направлением совместного сотрудничества ИФХЭ РАН и ФГУП «ПО «Маяк».

Не менее важным путем совместного сотрудничества ИФХЭ РАН и ФГУП «ПО «Маяк» может стать изучение радиационной устойчивости экстракционных систем и поиск условий их пожаро- и взрывобезопасности. Известно, что радиолиз органической фазы приводит к ухудшению расслаивания, падению величин коэффициентов распределения элементов при экстракции. Можно предположить, что в условиях окислительного термолиза и радиолиза органических экстрагентов и разбавителей образуются наноразмерные мицеллы, что приводит к существенному ухудшению степени разделения элементов в экстракционных процессах. Изучение в ИФХЭ РАН и ФГУП «ПО «Маяк» мицеллообразования в экстракционных системах будет способствовать их усовершенствованию и устойчивому развитию как перспективному направлению сотрудничества.

Литература:

1. Krivovichev S.V., Kahlenberg V., Kaindl R., Mersdorf E., Tananaev I.G., Myasoedov B.F. // Angew. Chem. Intern. Ed. 2005. V. 44. P. 1134-1136.

2. Krivovichev S.V., Burns P.C., Tananaev I.G., Myasoedov B.F. // Journal of Alloys and Compounds. 2007. V. 444-445. P. 457-463.

3. Krivitsky A.G., Manakov I.V., Bobilev A.I., Rovny S.I., Tananaev I.G. / Abstracts on XVIII Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry / Section 12. International Conference on Modern Radiochemistry-2007/Russia. Moscow. 2007. V. 5. P. 2423.

4. Krivitsky A.G., Manakov I.V., Bobilev A.I., Rovny S.I., Tananaev I.G. / Topic Meeting of the Europian Ceramic Society «Geometry, information and theoretical crystallography of the nanoworld». 2007. ISC RAS.: St.-Peterbourg. Russia. 2007. P. 78 80.

Основные результаты совместных исследований ИФХЭ РАН – ФГУП «ПО «Маяк» в области нанотехнологий

И.Г. Тананаев1, С.И. Ровный2

1Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
2ФГУП «ПО «Маяк», г. Озерск


Современные подходы к устойчивому развитию ядерного топливного цикла (производство топливных композиций, переработка ОЯТ, обращение с радиоактивными отходами различного уровня активности, радиоэкология) напрямую связаны с развитием наноиндустрии. В организациях Российской академии наук, ведущих образовательные центров, и на предпрятиях ГК Росатом, прежде всего на ФГУП «ПО «Маяк», проводятся систематические поисковые и практические исследования в области получения и изучения свойств наноматериалов в радиохимической технологии и радиоэкологии. В представленном докладе будут представлены основные результаты проведенных работ.

Показано, что наночастицы Pt, Pd, Ru (размер частиц 80-100 нм), нанесенные на поверхность носителя в качестве гетерогенных катализаторов, могут быть широко применены в различных процессах переработки ОЯТ для снижения экологической опасности образующихся радиоактивных отходов. Разработаны перспективные каталитические методы стабилизации урана, нептуния, плутония и америция в заданных степеней окисления, в том числе получение урана(IV) с участием H2, N2H4, HCOOH, H2CO, C2H5OH в качестве восстановителей и катализаторов Pt/Al2O3, Pt/SiO2,Pt/C, Pd/SiO2, Re2S7; восстановление плутония(IV) до (III), нептуния(VI),(V) до (IV) (восстановители: H2, N2H4, HCOOH и катализаторы: Pt/Al2O3, Pt/SiO2, активированный уголь). Подтверждением надежности функционирования каталитических схем в радиохимической технологии можно считать организацию схемы промышленного получения U(IV) на ОАО «СХК», научные основы которой были созданы в ИФХЭ РАН. Так, среднесуточная производительность установки, внедренной на ОАО «СХК», составляла не менее 130 кг по урану, что полностью обеспечивало потребности завода в восстановителе. В совместных исследованиях ИФХЭ РАН с ЦЗЛ ФГУП «ПО «Маяк» были разработаны каталитические методы разложения маточных оксалатных растворов, денитрации технологических растворов радиохимических производств, разложения мочевины, азотистоводородной кислоты для её удаления из водно-хвостовых растворов и другие [1]. Был разработан способ получения и применения аниониов-катализаторов, представляющих собой гранулы анионита с нанесенными на их поверхность металлических Pt, Ru, Re.

В области обращения и утилизации гетерогенных щелочных актинидсодержащих отходов были проведены широкомасштабные исследования по установлению хода твердофазных превращений соединений актинидных элементов в зависимости от их состава и времени хранения. Изучена реакционная способность, растворимость гидроксидов и гидроксидных соединений актинидов в щелочных средах. Исследовано их твердофазное взаимодействие с различными неорганическими и органическими веществами, в том числе комплексообразующими соединениями, находящимися в щелочных отходах. Полученные сведения позволяют разработать перспективные методы перевода нерастворимых соединений актинидов в растворимые формы для их извлечения из щелочных пульп.

Исследовано также твердофазное взаимодействие гидроксидных соединений урана(IV) с окислителями. Обнаружена хемилюминесцентная реакция взаимодействия U(IV) с производными благородных газов, в ходе которой наблюдается яркое свечение. Обнаруженный эффект позволил разработать высокочувствительный люминесцентный метод определения урана в количествах менее 10-15 моль/л (совместно с ИОХ УНЦ РАН, чл.-корр. РАН В.П. Казаков) [2].

Разработаны перспективные методы очистки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) от примесей урана и трансурановых элементов, радиоцезия, радиостронция, технеция и др. методами их соосаждения с наноносителями. Основным подходом к решению указанной задачи является введение в ЖРО растворимых в воде соединений переходных металлов (Fe, Cr, Co) с последующим нагреванием смеси. В ходе термического гидролиза методом «возникающих реагентов» образуются наноструктурированные нерастворимые в воде гидроксиды переходных металлов, характеризующиеся размером частиц от 15 до 30 нм. При этом наблюдается совместное соосаждение радионуклидов на образующихся осадках, приводящее к очистке растворов от радиоактивности. Так, при использовании Fe(OH)2 в качестве наноколлектора степень очистки реальных ЖРО, образующихся на заводе 20 ФГУП «ПО «Маяк», от примесей плутония составляет >7.103 [3].

Методом электронно-лучевой перегонке лигно-целлюлозных материалов (энергия 8 МэВ, длительность импульса 6 мкс, частота повторения импульсов 300 Гц, средний ток пучка 800 мкА) при средней мощности дозы 2.1 кГр/с были получены нанопористые угли, обладающие уникальными физико-химическими свойствами. Они, также как и наноуглеродные тубулены, являются эффективными поглотители органических соединений, в том числе масел. С применением указанных выше наноматериалов возможна также иммобилизация отработанного ТБФ, вакуумного масла и других органических компонентов радиоактивных отходов. Так, при иммобилизации вакуумного масла ВМ-1 в матрицу нанопористого угля, полученного из радиационно-облученного лигнина (включение масла в композицию 25%) с добавками эпоксидной смолы получаются плотные (прочность на сжатие 570 кг/см2) блоки, обладающие низкой скоростью выщелачивания масла при контакте с водой (степень выщелачивания составляет менее 0,01%, а скорость выщелачивания – менее 1∙10 5 г/см2∙сут). Поглощающая способность нанопористых углей по отношению к маслу ВМ-1 составляет 19 г/г [4, 5].

Методом теплатного синтеза получены новые полидентатные наноструктурированные реагенты на основе 2,2'-бипиррола амидо-иминного и амидного типа. Они образуют прочные комплексы с перренат- и пертехнетат-ионами с константой устойчивости 105. С применением указанных выше реагентов разработан метод аналитического фотометрического определения Тс(VII) в высокосолевых подземных водах района оз. Карачай. Указанный выше метод был применен для изучения миграции Тс(VII) с поверхностными и подземными водами района ФГУП «ПО «Маяк» для поиска путей реабилитации природных, загрязненных радионуклидами территорий. Показано, что миграционная способность ТсО4- ниже по сравнению с NO3-, и фронт распространения технеция отстает от фронта распространения нитрат-ионов. Предполагается, что геолого-геохимическими факторами, определяющими задержку Тс, является широкое развитие процессов глинизации во вмещающих породах, приводящее к образованию сорбционных барьеров, ограничивающих дальнейшее распространение технеция в подземной гидросфере. С применением указанного выше метода были определены площади с уровнем вмешательства Тс (220 Бк/л) в подземных водах вокруг техногенных водоемов-накопителей В-9 и В-17, определенные как 11,7 км2 и 1,2 км2, соответственно. Для области разгрузки – воды р. Мишеляк – значения измеренной объемной активности не превышают 50 Бк/л [6-7].

Литература:

1. Ананьев А.В., Тананаев И.Г., Шилов В.П. // Успехи химии. 2005. Т.74. №11. С.1132-55.

2. Khazimullina L.N., Galkin E.G., Mamykin A.V., Tananaev I.G., Kazakov V.P., Myasoedov B.F. // Mendeleev Communication. 2007. V. 17. P. 18.

3. Tananaev I.G. Crystal Properties and Solid-state Interactions of Actinides Hydroxide Compounds / «Structural Chemistry of Actinides and Lanthanides Inorganic Compounds». September 28 - October 2, 2007. St.-Peterbourg. Russia. P.134.

4. Патент на изобретение RU № 2 338 769 C1 С10В 53/00 от 20 ноября 2008 г. Пономарев А.В., Макаров И.Е., Тананаев И.Г., Мясоедов Б.Ф. Опубликовано 20.11.2008. Бюл. №32.

5. Е.М. Холодкова, И.Г. Тананаев, А.В. Пономарев. Электронно-лучевой синтез углеродных сорбентов / Пятая Юбилейная научно-практическая конференция «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы». г. Озерск Челябинской обл., 21-23 апрель 2009 г. -С.56-58

6. Катаев Е.А., Колесников Г.В., Мышковская Е.К., Попова Н.Н., Тананаев И.Г., Ровный С.И. // ВРБ. 2008. №4. С. 16.

7. Ровный С.И., Иванов И.А., Стукалов П.М., Алексахин А.И., Постовалова Г.А., Тананаев И.Г. // ВРБ. 2007. №. 3. С. 17.

Получение и исследование состояния наночастиц Tc, Tc-Ru и Tc-Mo на керамических носителях

К.Э. Герман, Н.Н. Попова, В.П. Тарасов, Я.А. Обручникова, М.С. Григорьев, В.Ф. Перетрухин, И.Г. Тананаев

Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, г. Москва, german@ipc.rssi.ru

В результате функционирования ядерного реактора на уран-плутониевом оксидном топливе образуется значительное количество технеция как продукта деления (0,6 г на 1 кг 235U при его 50% выгорании). Внешняя электронная оболочка образующегося Тс [Rn]4d55s2 позволяет формировать с осколочными d металлами (Mo, Ru, Pd, Rh) элементные (электронные) фазы разнообразной природы в виде металлических соединений (сплавов, или ряда нестехиометрических твердых растворов), которые могут сегрегироваться в отдельные фазы включения. Поскольку накопление Тс происходит по мере выгорания делящихся компонентов постепенно, его образующиеся металлические фазы наноразмерны. В процессе формирования они проявляют неожиданные физико-химические свойства, высокую реакционную способность, ведущую к проявлению активных химических превращений, формированию малорастворимых осадков при переработке ОЯТ, а ранее – при неполной очистке от Тс – также и к попаданию его на газодиффузионные заводы. Все это приводит к образованию опасных видов РАО, а также затрудняет последующее удаление Тс при дезактивации оборудования действующих и демонтируемых газодиффузионных установок при обогащении ядерного топлива, или влияет на функционирование некоторых типов экспериментальных ядерных реакторов с расплавленным топливом. Несмотря на высокую научную актуальность и практическую ценность, указанные выше явления до настоящего времени не были изучены из-за больших трудностей в ходе исследования радиоактивных, рентгеноаморфных материалов синтезируемых при повышенной температуре. Наши предварительные исследования [1] показали, что успех в анализе нанодисперсных металлических фаз Тс и его сплавов связан с сочетанием исследований физико-химических и химиических свойств с применением метода ЯМР на ядрах Tc 99 с рентгеновскими и другими методами. Нами разработаны новые и усовершенствованы известные методы синтеза нанофаз технеция на поверхности ряда d металлов и на керамических матрицах. Для характеризации их состояния, изучения их физико-химических свойств и выявления механизмов химических превращений в проекте проведен анализ химического сдвига и сдвига Найта в ЯМР-Тс-99 спектрах (рис. 1), а также их констант квадрупольного связывания и симметрии.





а

б

а) сплав (1% масс. Tc и 0,2% масс. Ru) на -Al2O3; б) чистый 20% Тс на TiO2. Нанесены методом импрегнирования с последующим восстановлением водородом при 800 оС (Сдвиг ~ 7500 м.д. – металлическая нанофаза технеция, сигнал при ~ 0 м.д. – от окисленной пленки TcO2

Рис. 1. Спектры ЯМР-Тс99 образцов, содержащих Тс на -Al2O3


следующая страница >>