Минералы сжимаются: учёные раскрыли секрет, который изменит хранение радиоактивных отходов

Учёным из ДВО РАН удалось впервые проследить, как при нагревании меняется кристаллическая структура редких минералов — куплетскита и его аналога цезийкуплетскита. Опыты показали: при высоких температурах марганец в их составе теряет электроны, из структуры уходит вода, и кристаллы резко сжимаются. Эти свойства могут быть использованы для безопасного захоронения радиоактивного цезия.

Что такое куплетскит и цезийкуплетскит

Куплетскит и его цезиевый аналог относятся к группе слоистых титаносиликатов. Их кристаллы напоминают пористую многослойную "решётку", где:

• один тип слоёв образован марганцем с примесями железа и магния;

• другой тип — атомами титана и кремния;

• между ними находятся крупные катионы, включая цезий.

Такая структура делает минералы интересными для геохимиков и материаловедов. Особенно — из-за способности удерживать цезий, один из самых опасных радиоактивных изотопов (Cs-137), который остаётся в среде после аварий на атомных объектах.

Как проводили эксперименты

Исследование в Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (Петропавловск-Камчатский) стало первым детальным описанием поведения этих минералов при высоких температурах. Учёные нагревали образцы до 1000 ℃ и наблюдали изменения структуры с помощью рентгеновской дифрактометрии — метода, позволяющего "увидеть" расположение атомов по отражению рентгеновских лучей.

Сравнение поведения минералов при нагреве

Главные выводы учёных

• При нагреве минералы сначала расширяются, но затем быстро сжимаются.

• Процесс связан с отдачей электронов марганцем (окислением).

• Одновременно минералы теряют воду.

• Подобные реакции характерны не только для марганцевых, но и для железистых минералов.

• В природе такие процессы возможны в глубинных оболочках Земли, а также при промышленной обработке.

Советы шаг за шагом: как можно применить результаты

1. Изучить поведение минералов в условиях давления, приближенных к земным недрам.

2. Разработать керамические материалы на основе титаносиликатов.

3. Проверить их устойчивость при хранении радиоактивного цезия.

4. Внедрить в системы долговременного захоронения отходов.

5. Использовать данные для горной промышленности — при добыче марганцевых и цезиевых соединений.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Игнорировать термическую устойчивость → риск разрушения хранилищ цезия → использовать минералы с проверенными фазовыми переходами.

• Считать минералы инертными → недооценка потерь воды и окисления → проводить анализ в разных температурных условиях.

• Применять без консервации → снижение долговечности материалов → создавать керамики на основе стабилизированных структур.

А что если…

А что если аналогичные слоистые минералы можно будет синтезировать искусственно? Это откроет путь к созданию новых материалов с заданной структурой, идеально подходящей для улавливания радиоактивных ионов. Такой подход позволит не только хранить отходы, но и очищать воду или грунт от радионуклидов.

Плюсы и минусы использования титаносиликатов

FAQ

Зачем нужно захоронение цезия?
Изотоп Cs-137 остаётся одним из самых долгоживущих загрязнителей после аварий на АЭС, его нужно изолировать от биосферы.

Почему именно куплетскит?
Его структура позволяет удерживать крупные катионы, включая радиоактивный цезий.

Можно ли использовать эти минералы в промышленности?
Да, но пока речь идёт о научной проработке — необходимы дополнительные испытания и синтетические аналоги.

Мифы и правда

• Миф: радиоактивный цезий невозможно связать.
  Правда: минералы титаносиликаты способны избирательно поглощать Cs-137.

• Миф: такие исследования нужны только для теории.
  Правда: практическое применение — захоронение отходов и экология.

• Миф: природные минералы всегда стабильны.
  Правда: их структура меняется при нагреве и окислении.

3 интересных факта

1. Cs-137 имеет период полураспада около 30 лет и активно накапливается в живых организмах.

2. Рентгеновская дифрактометрия позволяет отслеживать даже минимальные изменения решётки минералов.

3. Подобные минералы могут стать основой "умных" керамик для атомной энергетики.

Исторический контекст

Проблема радиоактивных отходов возникла в XX веке вместе с развитием атомной энергетики. После аварий в Чернобыле и на "Фукусиме" именно цезий-137 стал символом радиоактивного загрязнения. Учёные десятилетиями ищут материалы, способные изолировать этот изотоп. Теперь исследования слоистых титаносиликатов показывают: даже природные минералы могут сыграть роль в решении глобальной экологической задачи.