Сотрудники лаборатории кристаллохимии Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук совместно с сотрудниками Южно-Уральского федерального научного центра минералогии и геоэкологии УрО РАН и Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН изучили процессы кристаллизации в боросиликатных стёклах — материалах, применяемых для долговременной изоляции радиоактивных отходов.

Полученные результаты позволят прогнозировать поведение стекломатериалов и, управляя процессом кристаллизации расплавов, создавать более надежные системы изоляции радиоактивных отходов.

Проблема хранения таких отходов стоит особенно остро, так как радиоактивный цезий является одним из наиболее опасных продуктов деления урана и плутония. Для его надёжной иммобилизации традиционно используют боросиликатное стекло, которое со временем может кристаллизоваться, что изменит его структуру и повлияет на способность удерживать радионуклиды. Именно поэтому исследование закономерностей кристаллизации и изучения структуры при фазовом разделении сложных стеклообразующих расплавов имеет не только фундаментальную, но и практическую значимость.

Авторы работы синтезировали образцы стекла с разным содержанием цезия и натрия, а затем провели термическую обработку при разных режимах. Для того, чтобы определить сам факт кристаллизации, изучить структуру полученных соединений, а также их характеристики, применяли рентгеновскую дифракцию, электронную микроскопию, рамановскую спектроскопию и термический анализ. Такой комплексный подход позволил впервые подробно описать строение и свойства новых фаз.

В результате работы удалось выделить несколько упорядоченных соединений цезия, формирующихся при кристаллизации стекла путем вторичного плавления стекла с последующим медленным охлаждением до 600 °С. Один из них — боросиликат цезия со стехиометрией лейцита кубический CsBSi₂O₆ (Сs-боролейцит) — его структура была уточнена и показано, что при данных условиях кристаллизации предпочтительной является нецентросимметричная форма. Другой, ранее неизвестный боросиликат цезия — орторомбический Cs₂B₂Si₃O₁₀, оказался первым представителем особого класса соединений с каркасной структурой, напоминающей цеолиты. Впервые были получены рамановские спектры этих соединений, которые наглядно показывают особенности колебаний атомов в различных боросиликатных кольцах.

Кроме того, исследователи показали, что скорость охлаждения расплава играет важную роль: при разных режимах кристаллизации образуются кристаллы различного состава и формы. Таким образом, появляется возможность управления процессом фракционирования расплава с целью направленного создания стеклокерамических материалов с конкретными свойствами. «Кристаллизация может быть не только угрозой целостности стекла, но и инструментом для создания прочных и устойчивых материалов», — прокомментировала зав. лабораторией кристаллохимии ГЕОХИ РАН доктор химических наук Ольга Королёва.

Данная работа открывает новые возможности для разработки стеклокерамики, которая будет надёжно удерживать радионуклиды, а также помогает предсказывать возможные изменения в уже существующих стекломатрицах.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российскогонаучного фонда (проект 25-17-20015). Результаты исследования опубликованы в журнале Next Materials.

Источник :пресс-служба Минобрнауки России.