Сотрудники Южно-Уральского федерального научного центра минералогии и геоэкологии УрО РАН совместно с коллегами из Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН и Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН изучили процессы формирования кристаллических фаз в боросиликатных стеклах — матричных материалах, применяемых для отверждения РАО.

Радиоактивный цезий, образующийся при переработке ядерного топлива является одним из долгоживущих радионуклидов, требующих длительного хранения. Для его надежной иммобилизации традиционно используют витрификацию (остекловывание). Однако, для стекла характерна тенденция к самопроизвольной кристаллизации и условия, в которых она происходит, должны приниматься во внимание при выборе химического состава для остекловывания РАО. С другой стороны, контролируемое формирование определенных упорядоченных фаз способствует упрочнению материала и увеличению стойкости матрицы к выветриванию. Именно поэтому исследование   закономерностей кристаллизации в сложных оксидных системах, таких как боросиликатных стекла, имеет высокую фундаментальную и практическую значимость. Результаты исследования опубликованы в журнале Next Materials (https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2025.101199).

В статье обсуждаются результаты кристаллизации в стеклообразующей системе Na2O-Cs2O-B2O3-SiO2, при различных условиях, приводящих к образованию упорядоченных фаз. Научная группа под руководством д.х.н. Королевой О.Н. провела синтез образцов стекла с разным содержанием цезия и натрия. Стекло было подвергнуто термической обработке с медленным охлаждением в диапазоне температур формирования кристаллических фаз. Полученные образцы стеклокерамики были исследованы методами рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Такой комплексный подход позволил впервые подробно описать строение и свойства новых фаз.

Фотографии с оптического микроскопа. Кристаллическая фаза Cs₂B₂Si₃O₁₀ в стекле.

Исследователями обнаружено образование нескольких модификаций боросиликата цезия: кубического CsBSi₂O₆, описанного в пространственной группе I-43d, и орторомбического, Cs₂B₂Si₃O₁₀ (Cmce).

Было установлено, что при формировании этих фаз цезий активно мигрирует из стекломатрицы в кристаллы, что приводит к изменению состава оставшегося аморфного стекла и влияет на долговечность материала.

Карта распределения элементов в боросиликатной стеклокерамике.

Полученные результаты помогают глубже понять, как ведёт себя радиоактивный цезий в боросиликатных системах, которые используются для его изоляции. Это особенно важно не только для прогнозирования устойчивости матриц в условиях длительного хранения, но и в для разработки стеклокерамики, которая будет надежнее удерживать радионуклиды.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, проект № 25-17-20015 (https://rscf.ru/project/25-17-20015/).