Труды КНЦ (Технические науки вып.1/2025(16))

Введение Развитие ядерной промышленности сопровождается накоплением значительных объемов радиоактивных материалов, представляющих долговременную экологическую опасность. Проблема безопасного обращения с данными материалами и их окончательная изоляция (захоронение) не решена ни в одной стране мира. В значительной степени это обусловлено чрезвычайно высокой стоимостью глубинного подземного захоронения. Альтернативой захоранивания радиоактивных отходов является извлечение актиноидов из отходов и их безопасное длительное использование. Эта же проблема касается радиоактивного изотопа углерода 14С. Наиболее перспективным направлением является введение радионуклидов в качестве структурной примеси в химически, механически и радиационно стойкие кристаллические матрицы. Одним из вариантов применения кристаллических матриц, содержащих радионуклиды в виде структурной примеси, является создание автономных источников оптического изучения. Если кристаллические матрицы обладают высокими сцинтилляционными свойствами, то энергия радиоактивного распада будет стимулировать оптическое излучение сцинтиллятора, он станет самосветящимся в течение всего времени спонтанного распада радионуклида. Такой источник оптического излучения не требует специальной утилизации и будет удерживать радионуклид миллионы лет. При этом такие материалы будут источниками оптического излучения в течение двух — двух с половиной периодов полураспада актиноида (для Pu-238 это пара сотен лет, а для Am-241 — тысяча лет, С-14 — 10 000 лет). Это направление исследования представляется перспективным для практического использования. Оптическое излучение самосветящейся матрицы можно преобразовать в электрический ток с помощью фотопреобразователя. В этом случае источники оптического излучения могут быть основой для ядерной батарейки — маломощного источника тока. Также такие материалы могут найти применение в сенсорах, состоящих из источника излучения — приемника для идентификации содержания различных газов в атмосфере. Перспективным представляется использование таких источников оптического излучения в робототехнике в качестве элемента оптоэлектронной пары. Результаты Наиболее привлекательными радионуклидами для разработки самосветящихся материалов являются альфа- и бета-излучатели. Это связано с тем, что альфа- и бета-частицы имеют небольшие длины пробега в твердом теле, и при торможении почти вся энергия частиц (энергия, связанная с радиораспадом) остается в твердом теле и может быть преобразована в электромагнитное излучение оптического диапазона. В связи с этим радионуклиды из тяжелой фракции радиоактивных отходов, такие как Pu-238 и Am-241, которые являются альфа-излучателями, являются перспективными элементами для разработки самосветящихся материалов. Энергия альфа-частиц, образующихся в результате радиоактивного распада этих элементов, составляет 5,6-6 МэВ. Длина пробега таких частиц в твердом теле не превышает 15-30 мкм. При распаде радионуклида С-14 образуются бета- частицы с энергией 156 кэВ. Их длина пробега в твердом теле не превышает 50-80 мкм. Следующим важным вопросом является выбор матрицы, в которой энергия радиораспада преобразуется в оптическое излучение. Эти матрицы должны характеризоваться следующими свойствами: высокая химическая, механическая и радиационная стойкость; эффективное преобразование энергии радиораспада в оптическое излучение (хорошие сцинтилляционные свойства); высокая растворимость радионуклидов в матрице с образованием твердых растворов. В связи с этим для создания самосветящихся материалов, активированных Pu-238 и Am-241, наиболее оптимальными являются сложные оксиды, такие как ZrO 2 , ZrSiO4, YPO4 и др. Для радиоизотопа С-14 таким материалом является искусственный алмаз. В связи с тем что все перечисленные материалы имеют ширину запрещенной зоны от 4,5 эВ и больше, их спектры излучения связаны с внутрицентровыми переходами, а цвет люминесценции определяется электронной структурой этих центров. Для оксидных материалов такими центрами Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2025. Т. 16, № 1. С. 38-42. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2025. Vol. 16, No. 1. P. 38-42. © Заморянская М. В., Бураков Б. Е., Дементьева Е. В., Орехова К. Н., Гусев Г. А., Кравец В. А., Трофимов А. Н., 2025 39