#头条讲真的#

几个世纪以来，“普通”化学的一个关键原则是假设化学元素的性质是一成不变的。20世纪初，人们清楚地认识到：事实并非如此，因为镭（而且不仅仅是镭）可以转化为其他元素。这就是 1910 年“放射化学”一词的出现。从一开始，它就专注于研究放射性元素的化学性质和特性及其衰变产物。同样重要的是研究这些元素在某些环境中引起的辐射效应。

由神经网络代表的放射化学家

跨生态与效率

21世纪初，放射化学处于完全特殊的地位。环境议程和低碳能源发电已走在世界前列。与此同时，能源消费水平多年来持续快速增长，这就导致需要开发不依赖于气候和区域特征的强大能源。

人们不断尝试通过风电场和太阳能发电厂进行无碳转型，但伴随着电价的大幅上涨。但核发电并不急于增长，这进一步加剧了能源通胀。

过去三分之一个世纪发电量的快速增长使得清洁能源问题日益严峻

在这种情况下，当今放射化学的关键任务已成为缺乏“延期解决方案”——所有这些“尾矿堆”、充当放射性废物临时储存设施（RAW）的技术库、长期储存废放射性废物的技术库。核燃料等。通过这种方法，不仅需要证明核能生命周期中废物的长期（有时是永久）处置的安全性，而且还需要创造新技术，以确保在不产生重大影响的情况下进行这种处置。最终产品的成本增加。

为什么这一切如此重要？核电产生的放射性废物量确实很小：以吨或立方米为单位，它比煤电等产生的放射性废物少几个数量级，如果重新计算每单位发电量的废物量，甚至更少。例如，俄罗斯的煤炭工业只留下了超过1.5亿吨的灰渣废物（如今已经覆盖了数百平方公里）。尽管它们经常被吹到附近的居民区（化石燃料产生的微粒通常每年导致数十万人死亡），但这并没有引起公众的强烈抗议。因此，其可持续发展需要彻底解决放射性废物问题。

很长一段时间以来，人们一直建议——在美国仍然建议——采取阻力最小的路线：将乏核燃料和其他类型的放射性废物深埋在容器中的稳定岩石中。

这种方法的缺点是根本性的：它只是将核能问题的解决方案转移给子孙后代。此外，它还阻碍了核燃料的相当有效的使用。如果典型反应堆的一公斤铀燃料经过一个运行周期，将产生大约 60 万千瓦时的电量。如果您能够从“采矿”中分离出有价值的成分并再次使用它们，那么经过多次循环，您可以从一公斤铀中获得比现在多 30-40 倍的热能（最终是电能）。

当然，这仅在某些条件下成立（更多内容见下文）。在传统的热中子反应堆中，只有铀 235 是可裂变的。一个周期内大约烧毁60-70%，也就是说，第二次革命最多可节省30-40%。那么我们所说的条件是什么？

如果我们不仅考虑铀，还考虑钚作为燃料，那么封闭式核循环就有意义。这样就可以使用所有天然铀，而不仅仅是 0.7%（矿石中铀 235 的含量）。毕竟，天然矿石中含量为 99.3% 的铀 238 在核反应堆条件下捕获中子并变成钚。因此，Rosatom认为更合理的做法是不要一次性掩埋乏燃料，而是从中提取可用于后续燃料循环的物质。

位于拉海牙（法国）的欧拉诺加工厂。自 1976 年投入运行以来，已有超过 3.4 万吨乏燃料在这里进行了后处理

由于核反应，裂变和活化产物在核电站燃料中积累，导致其放射性增加，并超过了从矿石中提取的铀的放射性。因此，俄罗斯核工业界经常谈论“辐射当量​原则”，即埋藏部件的放射性必须不高于开采矿石时的放射性。乏燃料的剩余成分必须被分离和中和——要么通过长时间暴露以降低活性水平，要么通过反应堆中的“后燃烧/嬗变”，或其他一些方式。

但在落实“对等原则”的过程中却存在很大的困难。例如，法国核工业（与俄罗斯核工业一样）自 20 世纪 70 年代以来一直在对乏核燃料进行后处理并重复利用钚（在俄罗斯为铀）。然而，由于缺乏快中子反应堆，回收钚的广泛使用受到阻碍。

用于提取铀和钚的湿法冶金技术有很大的局限性：乏燃料在使用之前必须在特殊的池中保存数年。此外，使用“热”中子的反应堆产生的乏燃料需要进行后处理（工业快中子反应堆仅在俄罗斯存在，而且只有两座）。

这样一来，两个问题同时出现：第一，法国欧拉诺公司生产的混合铀钚氧化物燃料比从铀矿石中获得的燃料更昂贵。其次，这种燃料的体积小。原因甚至不是慢中子反应堆中从铀238中生产钚的效率低。世界上乏核燃料的储量本身就足以启动使用“快”反应堆的能源部门。

正如我们上面指出的，这一点也是一个价格问题：热反应堆中的混合金属氧化物燃料（铀-钚，其中钚是从乏燃料中提取的）在经济上是无效的，因为它比天然铀更昂贵。而且并非所有现有的慢中子反应堆都能提供这种燃料。因此，法国的后处理方案只能满足法国17%的核燃料需求。显然需要新的方法。剩下的就是了解哪些。

没有多少国家正在寻找新方法。除俄罗斯和法国外，乏核燃料后处理也在亚洲地区——中国、印度和韩国逐渐发展。但现在只有这种试点工厂在那里运行；它们很难被称为真正的大型和高产。在其他国家，他们更愿意遵循阻力最小的路线：在美国，乏核燃料的后处理基本上是被禁止的，而在大多数欧洲国家，根本没有参与者有能力承担这一任务。英国的一家此类工厂因对其生产的 MOX 燃料（由乏核燃料生产）缺乏需求而被关闭。在世界各地的快堆中，目前只有 BN-800 使用混合铀钚燃料运行。

突出显示和划分

放射性废物究竟该如何“分类、分配”？这是现代放射化学的关键问题。“深度分馏加力”——这将是战略意义上的答案。这在实践中意味着什么？

核燃料运行过程中产生的放射性废物几乎包含整个周期表中的不同同位素，这些同位素具有各自的放射性毒性。如果 RW 未经分离（分馏）就被掩埋，那么必须保护全部废物在超过一百万年的时间内不进入生物圈（！）。在这种情况下，安全性将通过以下方式确保：初步暴露、深埋、在整个时间内不会被地下水破坏的稳定化学形式（类似自然）、容器和其他防护屏障。关键一是地质保护。

就每千瓦时的总成本而言，处理运行过程中产生的所有放射性废物的成本使核能的吸引力降低，这并不奇怪。例如，当采用深埋而不分馏时，每公斤乏核燃料（SNF）的放射性废物处理成本将为3600卢布。如果放弃分馏和深埋，埋藏成本将达到1.2亿卢布（需要有人监控地表“采矿”）。通过初步持有、分馏和深度安置，处理相同体积废物的成本可达0.34 千卢布每公斤。最后一个数字只有在玻璃在加工 70 年后被消化（在分馏版本中）（没有消化 - 每公斤 2000 份）时才能实现。这低于每千瓦时发电 0.1 戈比。

美国汉福德钚生产反应堆现场装有乏核燃料的桶（盖子被移除）。该反应堆用于曼哈顿计划

分馏不是单一操作或过程，而是一种应与底层 SNF 再处理技术完美结合的方法。例如，在“突破”项目（建造产生与消耗的燃料量相同的快中子反应堆）的框架内，正在考虑结合湿法冶金和高温化学工艺对乏核燃料进行联合后处理。纯湿法冶金技术被认为是一种备用技术。

湿法冶金工艺基于将全部乏燃料溶解在酸溶液中，然后进行过滤和萃取组以及组间分离。萃取剂之一是磷酸三丁酯，其溶解在例如煤油中。磷酸三丁酯与锕系元素和一些裂变产物一起形成稳定的络合物，可溶于煤油，从而可以从水溶液中提取有价值的成分。然后，使用各种水溶液，可以选择性地提取一些成分，例如铀、钚、镎等。

此类溶液必须含有各种还原剂（例如，铁或U 4+盐）用于氧化还原反应并增加/降低络合物的稳定性。分离后，铀、钚和镎转化为方便的化学形式以便随后循环：因此，U经历UO 2 (NO 3 ) 2 -U 3 O 8 -UO 2阶段。锔，在与*土稀**分离后元素和镅也被转化为氧化物形式，以便随后长期受控储存。

各类乏核燃料未经后处理的辐射活性。重要的是要记住，放射性（纵轴）是对数，年数（横轴）也是对数

湿法冶金工艺的缺点是操作温度范围小和水基溶液的辐射分解稳定性低。因此，在进行此类处理之前，乏燃料必须首先在冷却池中长期储存。这就是他们所说的“消除主要热和辐射负荷”。换句话说，这意味着乏燃料对于湿法冶金后处理来说不能再太热和太放射性。当然，您在池中存储“工作”的时间越长，过程本身就越便宜（但时间更长）。毕竟，核燃料在反应堆中时会产生收入，但其余时间只需要支出。

用于后处理乏核燃料的热化学（干）方法没有这样的缺点。在他们的情况下，初步储存的时间可以缩短到一年或更短，这将大大减少作为“采矿”一部分储存的铀和钚的数量，并将加快新发电机组的调试。热化学方法包括乏燃料处理的高温方法——溶解法、沉淀法、在碱金属和碱土金属卤化物熔体中电解、蒸馏以及氟化后铀和钚的挥发性化合物的蒸馏等。

但这些方法也有其缺点。例如，随着温度升高，化学反应速率（特别是腐蚀过程）增加。不要忘记，几乎所有卤化物都会发生水解，甚至少量的水蒸气也会反应形成氧化物或氯氧化物，这会显着影响主要过程的进程并加速腐蚀。

乏核燃料桶储存池。它们在这里停留很短一段时间，然后被转移到干燥的储藏室——目前是露天的。然而，很明显，以这种方式无限期地积累乏燃料是不可能的——它太昂贵了 。

因此，在进行此类工艺时，重要的是保持气体保护气氛的质量，使氧气和水蒸气含量低于百万分之五。如今，处理乏核燃料的热化学方法的实施仍然相当有限。

“突破”项目意味着，经过这样的过程和所得元素的分馏，99.9-99.99%的铀、钚、镎、镅和锔将从乏核燃料中提取出来。剩余的0.1%或更少将被纳入硼硅酸盐玻璃中，将高放放射性废物的问题减少千倍。

对掩埋放射性废物的要求之一是其余热释放。越高，此类废物必须放置得越深。众所周知，放射性废物中裂变产物释放的热量大部分是铯137和锶90，以及它们的子体放射性核素。因此，分馏的任务之一可能是从废物总质量中分离出铯和锶，并进行受控储存（大约300年）。当其活性下降1000倍后，应将其转移埋葬。那么，极少数的小锕系元素的残留物可以单独分离和玻璃化。

让我们提醒您：今天地球上大约有30万吨乏核燃料（其中10%在俄罗斯）。这个数量并不算多（数万立方米），但全世界每年都会增加1万吨。如果我们现在不开始回收，我们将来将面临严重的问题。

这就是实验示范能源综合体应有的样子，目前正在西伯利亚化*联学**合体的领土上建设。除了配备带有铅冷却剂的 BREST-OD-300 反应堆的动力装置外，还将有一个现场放射化工厂，该工厂配有用于处理辐照混合铀钚（氮化物）燃料的模块。同一工厂将有一个制造/再制造模块（FRM），用于用进口材料生产起始燃料棒，然后用回收的辐照核燃料生产燃料棒。

因此，今天俄罗斯放射化学家的有希望的目标是调试用于后处理乏核燃料的新生产设施。首先，这是位于热列兹诺戈尔斯克（克拉*诺斯**亚尔斯克边疆区）联邦国家单一企业“采矿和化*联学**合体”现场的VVER型反应堆积聚燃料后处理实验示范中心，以及位于克拉*诺斯**亚尔斯克边疆区的乏燃料后处理模块。全新 BREST-OD-300 反应堆的试验场。该反应堆本身正在托木斯克地区的西伯利亚化工厂积极建造，应该在本十年末之前启动。

事实上，每个这样的反应堆必须在其附近的地点有一个小型放射化工厂，以便在从反应堆中取出燃料后能在短时间内（大约两年）处理燃料。由于 BREST 使用独特的燃料——氮化铀（而不是其氧化物），这一过程变得更加复杂。这种燃料具有许多优点：例如，它更耐热（减少堆芯熔化的机会）并且不会漂浮在液体铅中，液体铅用于 BREST 反应堆的初级回路。

事实证明，放射化学在向双组分核能的过渡中发挥着重要作用，其中像 BREST 这样的快中子反应堆既可以为自身也可以为 VVER 反应堆（慢中子）生产钚。然而，我们注意到这只是三种可能情况之一。

用铁手

放射化学生产的关键任务之一是工作周期的完全自动化。机器人和技术控制论中央研发研究所 (CRI RTK) 与 Rosatom 合作，正在研究也许是最困难的部分。这些是自动化热室系统。我们谈论的是处理乏燃料成分的高温区域。如今，这些区域由操作员控制的高科技机械手进行操作。这与国际空间站上ERA机械臂的操作有些相似，但也有显着差异。

BREST-OD-300 反应堆的单一燃料制造和再制造模块的总图。它涉及在燃料中加入次锕系元素以进行随后的嬗变

事实是，在国际空间站上，没有什么可以阻止操作员观看机械臂的操作。但为了快速、高效地连续处理乏核燃料，RTK 中央研究所与 A. A. Bochvar VNIINM 一起开发了一种自动化 RW 玻璃化设备，其中操作员只需设置工艺参数，然后机器人机械手将自己完成所有事情。这样他可以在单位时间内处理更多的材料。

这种类型的操作已经在演示台上进行了测试。接下来是对真实放射性核素的测试以及将该技术扩展到大规模生产。一个用于乏核燃料热化学处理的室内操纵器项目正在为未来做准备。

放射化学：医学之路

放射性同位素在现代医学中的作用是巨大的：癌症已经成为发达国家的首要死因，未来人均发病率还将继续增加。在这种情况下，癌症放射治疗——通过多种核素的定向辐射来破坏肿瘤——变得更加重要。

“来自反应堆”的同位素在多种疾病的医学诊断中发挥着越来越重要的作用。

然而，从用于生产此类材料的反应堆中留下的目标中获取此类核素是一项放射化学任务，而且通常并不简单。幸运的是，这方面的进展非常快。

特别是，俄罗斯放射化学家最近发明并实施了一种生产镥177的新方法。这是一种非常有效的药物，用于治疗转移性（即非常难以治疗）前列腺癌和其他一些癌症。然而，它很难快速获得，半衰期不到一周。

显然，它必须以极快的速度从反应堆中取出的靶标输送到放射治疗室，但在短时间内用化学方法提取它并不是一件容易的事。尤其复杂的是，在反应堆中，短寿命的普通镥-177不可避免地与少量其长寿命异构体镥-177m混合。如果通常的“177”能迅速分解，杀死癌细胞而不伤害肿瘤周围的身体组织，那么这种异构体可以存活很长时间，因此会产生大问题。

GEOKHI 的化学家与莫斯科国立大学 D.V. Skobeltsyn 核物理研究所 (NIYaF) 一起解决了这个问题：根据他们的方法，氧化铪靶不需要浸入反应堆中。它受到实验室电子加速器运行过程中产生的所谓轫致辐射的光子的轰击。这立即缩短了镥-177的潜在供应链，并解决了产品中“美中不足”的问题：用这种生产镥-177m的方法，形成的镥-177m比任何其他方法都要少得多。

电子在强电磁场中减速时发生的轫致辐射的一般图（图中，轫致辐射被指定为轫致辐射）

医学放射化学还有许多其他有前景的任务。特别是，这是用α发射核素生产药物。它们的优点之一是高线性能量转移 (LET) 值（所有能量在很短的距离内释放），从而允许有针对性的照射。在电离辐射的影响下，细胞死亡有多种机制。这可能是双链 DNA 断裂、在辐射分解作用下形成氧化物形式等等。

DNA 双链断裂的优点是它们影响一个特定的细胞而不是一组周围的细胞。这里 LET 值脱颖而出：它越大，整个辐射能量与 DNA 的特定部分相互作用并同时破坏其两条链的可能性就越高。通过这种有针对性的辐射使用，还必须考虑所用核素的半衰期以及形成的子体衰变产物。

目前，锕225和镭223是短寿命α衰变链的前体，被认为是该领域的关键候选同位素。一旦这些核素被输送到细胞核，就会发生不是一次而是五次衰变，这将进一步提高杀死癌细胞的药物的有效性。

但不幸的是，这种衰变无法人为控制。因此，制造放射*药性**物的重要任务之一就是其快递。那么在运输过程中解体的核素比例就会下降，这意味着它对沿途健康细胞的负面影响也会减少。顺便说一下，R​​osatom已经开始生产基于Ra-223的制剂。

我们来总结一下。放射化学是一个非常有活力和快速发展的行业，俄罗斯凭借环境的成功结合和认真的努力，占据了领先地位之一。在布雷斯特建设开始之前，许多放射化学支持的“等效原理”或创造双组分核能的事情都只是科幻小说，但现在它们正逐渐成为现实。这个方向的未来看起来充满希望——没有长期废物的无碳能源理所当然地被认为是 21 世纪最大的技术挑战之一。

然而，正如我们上面所看到的，放射化学的作用并不止于此。它的解决方案对于癌症治疗和其他疾病的诊断都极其重要 - 俄罗斯的新项目已开始在这方面发挥重要作用。但是，解决这门科学中新问题的领域仍然比其已经“耕耘”的部分大得多。