Потребление редкометаллического сырья стремительно растёт, поэтому мир нуждается в разработке новых высокотехнологичных способах его переработки. Термомеханическая обработка повышает технологические и эксплуатационные свойства материалов — и это один из трендов развития науки о материалах. А разделительной химии под силу снизить радиотоксичность отработавшего ядерного топлива — этим запомнились выступления членов Российской академии наук на третьем дне XXII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который проходит на федеральной территории «Сириус».

Переработка редкометаллического сырья

Президент Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, заместитель президента РАН академик Аслан Цивадзе рассказал, как специалисты Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН) разрабатывают технологии переработки редкометаллического сырья. Успехи коллектива он показал на примере работ с литием (Li) — самым лёгким и наиболее востребованным в последнее время металлом, подчеркнул учёный.

За период с 2007 по 2023 годы потребление лития выросло с 25 тыс. тонн до 180 тыс. тонн в год. Доля лития, используемого для производства аккумуляторов, выросла с 20 % до 87 %. По прогнозам, к 2030 году мировой спрос на литий возрастёт в 5 раз. «Россия не производит литий, а закупает <…> Очень важно, чтобы мы разрабатывали новые высокотехнологичные решения по технико-экономическим и экологическим показателям», — сказал академик.

Для извлечения лития из разных сырьевых источников используются четыре технологии — галлургическая, осадительная, сорбционная, экстракционная. «До недавнего времени наиболее привлекательной казалась экстракционная технология, которая не применялась из-за отсутствия селективных экстрагентов», — добавил Аслан Цивадзе.

Поэтому в 2020 году в ИФХЭ РАН были развёрнуты поиски новых литий-селективных экстрагентов. В ходе работы разработаны литий-селективные экстрагенты с уникальными свойствами, позволяющими развивать технологии прямого извлечения лития.

«Выяснилось, что при использовании салициловой кислоты достигнуты серьёзные результаты разделения лития (Li) от натрия (Na) и калия (K)», — сказал учёный.

В период с 2020 по 2024 гг. коллектив ИФХЭ РАН разработал ряд новых высокоэффективных литий-селективных экстракционных систем. Комбинация этих систем позволяет извлекать литий из всех существующих источников лития с содержанием лития не менее 20 мг/л. Во всех случаях разработанные системы продемонстрировали свою эффективность. Чистота получаемых литиевых продуктов может варьироваться от 95 до 99,97 %. Степень извлечения достигает 98 %, говорится в докладе.

Кроме того, в стенах института ведутся работы по извлечению скандия (Sc), который имеет обширную область применения — от производства источников света до ядерной энергетики

«Требуется масштабирование и лабораторное оформление, которые позволят нам рассчитать технико-экономические показатели», — отметил Аслан Цивадзе.

Тренды наук о материалах

Ректор СПбГУ, председатель Санкт-Петербургского отделения РАН академик РАН Андрей Рудской сделал прогноз развития наук о материалах до 2030 года.

«Сегодня стоит основная задача — [понять] как работать с железом, чтобы меньше его засорять и придавать ему уникальные свойства», — подчеркнул он, добавив, что термомеханическая обработка является одним из методов, при помощи которого можно очень экономно и энергоэффективно легировать этот материал, при этом создавать и задавать ему необходимые свойства.

Термомеханическая обработка — прогрессивная технология, которая обеспечивает повышение комплекса технологических и эксплуатационных свойств материалов и используется при изготовлении изделий в космической, авиационной технике, судостроении, транспорте, медицине и многих других направлениях.

«По сути, это технологии пластического формообразования, которые позволяют резко повысить все необходимые свойства материала: механические, технологические, эксплуатационные», — сказал Андрей Рудской.

Ректор СПбГУ привёл конкретные примеры изделий, которые были созданы с применением термомеханической обработки. Это валы и оси для специальной гусеничной техники, профильные кольца, сталь для судов, ледоколов и платформ и т.д.

Продолжая мысль, академик РАН рассказал о методах ОМД (горячая прокатка, горяче-тёплая прокатка, радиально-торцевая горяче-тёплая прокатка, холодная прокатка, волочение) и материалах (аустенитные и двухфазные коррозионностойкие стали, высокопрочные низколегированные стали, малоуглеродистые легированные стали и др.), используемых в технологиях ТМО.

Разделительная химия в ядерной энергетике

Разделительная химия способна решить проблему безопасности отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), рассказал научный руководитель Химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, вице-президент РАН академик Степан Калмыков.

Сегодня существуют два противоположных тренда: с одной стороны, нужно уменьшать выбросы и снижать содержание вредных частиц, с другой стороны, стремительно увеличивается энергопотребление, и загрязнение усиливается. «Это противоречие требует новых технологий, подходов, и здесь радиохимические технологии, технологии ядерного топливного цикла являются ключевыми», — отметил академик.

К настоящему времени в мире накоплено уже более 265 тыс. тонн отработавшего ядерного топлива, говорится в докладе. «Важно, сколько уже накоплено ОЯТ, и то, что накопление продолжается. В зависимости от стратегии, которую мы выберем, количество может быть больше или меньше. Наша задача сделать его меньше», — подчеркнул учёный.

Возврат делящихся нуклидов в энергетику — глобальная цель, которая ставится при разработке новой технологии генерации ядерной энергетики. Этой задаче служит замыкание ядерного топливного цикла.

«Мы планируем [освоить] двухкомпонентную ядерную энергетику с двумя типами реакторов. Топливо, отработавшее от обычных реакторов, фактически является сырьём для реакторов на быстрых нейтронах», — пояснил Степан Калмыков.

Реакторы на быстрых нейтронах с переработкой способны уменьшить на 90 % объёмы радиоактивных отходов, предполагавшихся к геологическому захоронению, то есть перевести отходы в энергию.

Также стоит задача минимизировать объёмы глубинного захоронения отработавшего топлива за счёт фракционирования. Если выделить минорные актиниды, которые и составляют длительную радиоактивность ОЯТ, то значительно снизится радиотоксичность, пояснил Степан Калмыков.

Основная проблема разделения — схожесть химических свойств. «Речь идёт о химической задаче выделения и разделения очень близких по химическим свойствам элементов <…> Самая сложная пара — америций (Am) и кюрий (Cm)», — отметил докладчик.

Менделеевские съезды — научные форумы с международным участием в области фундаментальной и прикладной химии. Они проводятся с интервалом в 4–5 лет и охватывают основные направления развития химической науки, технологии и промышленности.

В этом году форум приурочен к 300-летию Российской академии наук и 190-летию Дмитрия Ивановича Менделеева. В нём принимают участие почти четыре тысячи специалистов химической науки и образования, в том числе около 200 международных участников из 38 стран мира.