Изображения атомов радиоактивного цезия, впервые зафиксированные в образцах окружающей среды из Фукусимы

Слева: модели структуры поллуцита. Справа: прямая съемка атомов Cs, проявляющихся в виде ярких пятен (обведены на снимке). Около половины атомов Cs в структуре являются радиоактивными.

Спустя 13 лет после ядерной катастрофы на японской АЭС «Фукусима» ученые впервые получили прямые изображения атомов радиоактивного цезия в образцах окружающей среды, вероятно, из одного или нескольких реакторов на электростанции «Фукусима-1». Этот результат был достигнут благодаря анализу радиоактивных материалов, называемых «поллюцитами», которые образуются внутри поврежденных реакторов. Полученные результаты представляют собой ценные данные, которые помогут решить проблемы, связанные с утилизацией ядерных отходов.

В марте 2011 года на АЭС «Фукусима-1» произошла ядерная катастрофа из-за цунами, вызванного землетрясением магнитудой 9,1. 15-метровая волна обрушилась прямо на станцию, выведя из строя системы охлаждения реакторов, аварийные источники питания и бассейны для хранения радиоактивного топлива. Эти неполадки привели к расплавлению активной зоны в трех реакторах и перегреву резервуара дезактивации четвертого реактора.

В результате аварии радиоактивному загрязнению подверглась огромная территория площадью более миллиона квадратных километров, от части морской зоны, прилегающей к станции, до центра Токио.

После аварии были предприняты многочисленные усилия по дезактивации. Однако, несмотря на снижение радиологических доз на большинстве загрязненных территорий, сохраняется обеспокоенность по поводу устойчивости и содержания радиоактивного цезия (Cs) в окружающей среде. В настоящее время этот элемент доминирует на загрязненных территориях, поскольку его период полураспада составляет 30,1 года.

Чтобы оптимизировать борьбу с радиоактивным Cs, исследования сосредоточены на понимании свойств остатков топлива (смеси расплавленного ядерного топлива и конструкционных материалов), обнаруженных внутри поврежденных реакторов. Большое количество радиоактивного Cs накапливается в виде частиц. Называемые микрочастицами с высоким содержанием Cs (CsMP), они по составу похожи на стекло и плохо растворимы. Они образуются на дне реакторов при взаимодействии расплавленного топлива с бетоном.

После образования CsMP выходят из реакторов в окружающую среду. Поэтому они должны быть тщательно извлечены и утилизированы. Однако физико-химические свойства этих частиц остаются неясными, что препятствует усилиям по их восстановлению.

В рамках своего нового исследования, недавно опубликованного в Journal of Hazardous Materials, международная группа исследователей значительно углубила наше понимание CsMP, впервые визуализировав содержащиеся в них радиоактивные атомы Cs. «Мы с уверенностью демонстрируем новое появление Cs, связанного с материалами, выбрасываемыми реакторами АЭС «Фукусима»«, — поясняет в пресс-релизе один из авторов исследования Гарет Лоу из Университета Хельсинки (Финляндия).

Поведение, отличное от поведения других радиоактивных цезиевых осадков

Для того чтобы оценить степень и механизмы плавления, исследователи ранее проводили более или менее подробную характеристику CsMP. Однако до сих пор не было проведено прямого атомно-масштабного сканирования. «Это означает, что у нас нет полной информации о химической форме Cs в топливных частицах и обломках«, — говорит Лоу.

Хотя Cs покрывает эти частицы в относительно высоких концентрациях, они остаются слишком низкими для атомно-масштабной визуализации на основе электронной микроскопии. С другой стороны, когда Cs обнаруживается в достаточно высоких концентрациях, электронные пучки, используемые для визуализации, повреждают образцы.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа использовала сканирующую электронную микроскопию с высоким разрешением, широкоугольную, кольцевую темнопольную сканирующую электронную микроскопию (HR-HAADF-STEM). Проанализировав CsMP, они обнаружили, что они покрыты минералом цеолитового типа (кристаллы, состоящие из микропористого алюмосиликатного скелета) под названием поллуцит. Если в природе поллуцит обычно богат алюминием, то в CsMP он богат железом.

«Поллуцит в CsMP явно отличался от природного, что указывает на то, что он образовался в реакторах. [А поскольку мы знали, что большая часть Cs в CsMP образуется в результате деления, мы подумали, что анализ поллуцита может дать первые в истории прямые изображения радиоактивных атомов Cs«, — говорит Лоу. Следует отметить, что цеолиты становятся аморфными под воздействием электронного пучка, но это повреждение связано с составом минерала. Таким образом, некоторые включения поллуцита сохранили свою стабильность, что позволило получить изображение атомов Cs.

Полученные изображения показали, что Cs неоднородно распределен в обломках CsMP. Присутствие поллуцита указывает на то, что Cs вступил в реакцию с богатыми кремнеземом веществами во время расплавления реактора, вероятно, путем улетучивания или конденсации. Поллюциты содержали Cs в количестве от 27 до 36 % от общего веса.

По словам Бернда Грамбоу из Нантского университета, «теперь мы должны начать рассматривать поведение Cs-поллюцита в окружающей среде и его потенциальное воздействие. Вероятно, он ведет себя иначе, чем другие формы выпадения Cs, задокументированные на сегодняшний день«. Необходимо также оценить влияние на здоровье человека и животных, например, проанализировав химическую реактивность поллуцита с органическими жидкостями. По мнению экспертов, эти эффекты могут радикально отличаться от того, что наблюдалось ранее.