Μια γυάλινη λύση για τα πυρηνικά απόβλητα

Η χρυσή μάσκα θανάτου του φαραώ Τουταγχαμών είναι ένα από τα πιο διάσημα ιστορικά αντικείμενα στον κόσμο. Το λαμπερό πρόσωπο του νεαρού βασιλιά χρονολογείται γύρω στο 1325 π.Χ. και διαθέτει μπλε λωρίδες που μερικές φορές περιγράφονται ως λάπις λάζουλι. Ωστόσο, αντί να είναι ο ημιπολύτιμος λίθος που προτιμούσαν στην αρχαία Αίγυπτο, η εντυπωσιακή διακόσμηση είναι στην πραγματικότητα έγχρωμο γυαλί.

Ένα πολυπόθητο και πολύτιμο υλικό που κρίνεται άξιο δικαιωμάτων, το γυαλί κάποτε θεωρούνταν ισοδύναμο με πολύτιμους λίθους, με παραδείγματα αρχαίου γυαλιού να πηγαίνουν ακόμη πιο πίσω από τον Τουταγχαμών. Πράγματι, δείγματα που ανασκάφηκαν και αναλύθηκαν από αρχαιολόγους και επιστήμονες επέτρεψαν την καλύτερη κατανόηση του πώς και πού ξεκίνησε η παραγωγή γυαλιού. Αλλά παραδόξως, το αρχαίο γυαλί μελετάται επίσης από μια άλλη ομάδα επιστημόνων - αυτούς που βρίσκουν ασφαλείς τρόπους αποθήκευσης πυρηνικών αποβλήτων.

Το επόμενο έτος οι ΗΠΑ θα αρχίσουν να υαλοποιούν τμήματα των κληρονομημένων πυρηνικών τους αποβλήτων που βρίσκονται επί του παρόντος σε 177 υπόγειες δεξαμενές αποθήκευσης στο Ιστότοπος Χάνφορντ, μια παροπλισμένη εγκατάσταση στην πολιτεία της Ουάσιγκτον που παρήγαγε πλουτώνιο για πυρηνικά όπλα κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου και του Ψυχρού Πολέμου. Αλλά η ιδέα να μετατραπούν τα πυρηνικά απόβλητα σε γυαλί, ή να υαλοποιηθούν, αναπτύχθηκε ήδη από τη δεκαετία του 1970, ως ένας τρόπος να κρατηθούν τα ραδιενεργά στοιχεία κλειδωμένα μακριά και να αποτραπεί η διαρροή τους.

Τα πυρηνικά απόβλητα ταξινομούνται συνήθως ως χαμηλού, ενδιάμεσου ή υψηλού επιπέδου, ανάλογα με τη ραδιενέργεια τους. Ενώ ορισμένες χώρες υαλοποιούν απόβλητα χαμηλής και μέσης στάθμης, η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως για την ακινητοποίηση υγρών αποβλήτων υψηλής στάθμης, τα οποία περιέχουν προϊόντα σχάσης και διουρανικά στοιχεία με μεγάλη ημιζωή που παράγονται στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Αυτός ο τύπος απορριμμάτων απαιτεί ενεργή ψύξη και θωράκιση επειδή είναι αρκετά ραδιενεργός ώστε να θερμαίνει σημαντικά τόσο τον εαυτό του όσο και το περιβάλλον του.

Πριν από τη διαδικασία υαλοποίησης, τα υγρά απόβλητα ξηραίνονται (ή πυρώνονται) για να σχηματίσουν σκόνη. Αυτό στη συνέχεια ενσωματώνεται σε λιωμένο γυαλί σε τεράστια χυτήρια και χύνεται σε δοχεία από ανοξείδωτο χάλυβα. Μόλις το μείγμα κρυώσει και σχηματίσει ένα συμπαγές γυαλί, τα δοχεία συγκολλούνται κλειστά και έτοιμα για αποθήκευση, η οποία σήμερα γίνεται σε βαθιές υπόγειες εγκαταστάσεις. Αλλά το γυαλί δεν παρέχει απλώς ένα φράγμα, σύμφωνα με Κλερ Θορπ, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ, Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος μελετά την ανθεκτικότητα των υαλοποιημένων πυρηνικών αποβλήτων. «Είναι καλύτερο από αυτό. Τα απόβλητα γίνονται μέρος του γυαλιού».

Το γυαλί δεν παρέχει απλώς ένα φράγμα. Είναι καλύτερο από αυτό. Τα απόβλητα γίνονται μέρος του γυαλιού

Clare Thorpe, Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ, Ηνωμένο Βασίλειο

Ωστόσο, πάντα υπήρχαν ερωτηματικά σχετικά με τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα αυτών των γυαλιών. Πώς, με άλλα λόγια, μπορούμε να γνωρίζουμε εάν αυτά τα υλικά θα παραμείνουν ακινητοποιημένα για χιλιάδες χρόνια; Για να κατανοήσουν καλύτερα αυτά τα ερωτήματα, οι ερευνητές πυρηνικών αποβλήτων συνεργάζονται με αρχαιολόγους, επιμελητές μουσείων και γεωλόγους για να εντοπίσουν ανάλογα γυαλιού που θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε πώς θα αλλάξουν τα υαλοποιημένα πυρηνικά απόβλητα με τον καιρό.

Συστατικό γλυκό σημείο

Τα πιο σταθερά ποτήρια είναι κατασκευασμένα από καθαρό διοξείδιο του πυριτίου (SiO₂), αλλά διάφορα πρόσθετα – όπως ανθρακικό νάτριο (Na₂CO₃), τριοξείδιο του βορίου (Β₂O₃) και οξείδιο του αργιλίου (Al₂O₃) – συχνά ενσωματώνονται για να αλλάξουν τις ιδιότητες του γυαλιού, όπως το ιξώδες και το σημείο τήξης. Για παράδειγμα, βοριοπυριτικό γυαλί (που περιέχει Β₂O₃) έχει πολύ χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, επομένως δεν ραγίζει σε ακραίες θερμοκρασίες. «Το Ηνωμένο Βασίλειο και άλλες χώρες, συμπεριλαμβανομένων των ΗΠΑ και της Γαλλίας, επέλεξαν να υαλοποιήσουν τα απόβλητά τους σε βοριοπυριτικό γυαλί πριν αυτά αποθηκευτούν», εξηγεί ο Thorpe.

Όταν περιλαμβάνονται στοιχεία όπως αυτά από πρόσθετα ή πυρηνικά απόβλητα, γίνονται μέρος της γυάλινης δομής είτε ως διαμορφωτές δικτύου είτε ως τροποποιητές (εικόνα 1). Τα ιόντα που σχηματίζουν δίκτυο ενεργούν ως υποκατάστατο του πυριτίου, καθιστώντας αναπόσπαστο μέρος του υψηλά διασυνδεδεμένου χημικού δεσμού δικτύου (το βόριο και το αλουμίνιο το κάνουν αυτό για παράδειγμα). Εν τω μεταξύ, οι τροποποιητές διακόπτουν τους δεσμούς μεταξύ του οξυγόνου και των στοιχείων που σχηματίζουν γυαλί συνδέοντας χαλαρά με τα άτομα οξυγόνου και προκαλώντας ένα «μη γεφυρωμένο» οξυγόνο (το νάτριο, το κάλιο και το ασβέστιο ενσωματώνονται με αυτόν τον τρόπο). Τα τελευταία προκαλούν ασθενέστερη συνολική συγκόλληση στο υλικό, η οποία μπορεί να μειώσει το σημείο τήξης, την επιφανειακή τάση και το ιξώδες του γυαλιού συνολικά.

«Υπάρχει ένα συγκεκριμένο γλυκό σημείο όπου παίρνετε τη σωστή ποσότητα [απόβλητα πρόσθετα] για να σχηματίσετε ένα πολύ ανθεκτικό ποτήρι», εξηγεί Κάρολιν Πιρς από το Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού στις ΗΠΑ, ο οποίος μελετά την κινητική της σταθερότητας των ραδιονουκλεϊδίων σε μορφές αποβλήτων. «Αν προσθέσετε πάρα πολλά, αρχίζετε να πιέζετε το σύστημα για να σχηματίσει κρυσταλλικές φάσεις, κάτι που είναι προβληματικό, γιατί τότε έχετε πολυφασικό γυαλί, το οποίο δεν είναι τόσο ανθεκτικό όσο ένα ομοιογενές μονοφασικό γυαλί».

Ο Pearce λέει ότι τα απόβλητα στο Hanford περιέχουν «σχεδόν κάθε στοιχείο στον περιοδικό πίνακα με κάποια μορφή» και αποθηκεύονται ως υγρό, λάσπη ή κέικ αλατιού, γεγονός που καθιστά πιο δύσκολη την πρόβλεψη της πιο σταθερής σύνθεσης γυαλιού. «Υπάρχει πολλή μοντελοποίηση για το σχεδιασμό των στοιχείων που σχηματίζουν γυαλί που θα προστεθούν. Θα χαρακτηρίσουν ό,τι υπάρχει στη δεξαμενή αναμονής για να πάει στις εγκαταστάσεις και στη συνέχεια θα σχεδιάσουν τη σύνθεση του γυαλιού με βάση αυτή τη χημεία».

Η χρήση της υαλοποίησης για τα πυρηνικά απόβλητα υποστηρίζεται από τη σταθερότητα των φυσικών γυαλιών που υπάρχουν εδώ και χιλιετίες, όπως το πυριγενές γυαλί, οι φουλγκουρίτες (γνωστοί και ως «απολιθωμένοι κεραυνοί») και το γυαλί στους μετεωρίτες. «Θεωρητικά, τα ραδιενεργά στοιχεία θα πρέπει να απελευθερώνονται με τον ίδιο ρυθμό που διαλύεται το ίδιο το γυαλί, και γνωρίζουμε ότι το γυαλί είναι πολύ ανθεκτικό, επειδή μπορούμε να δούμε ηφαιστειακά γυαλιά που κατασκευάστηκαν πριν από εκατομμύρια χρόνια να βρίσκονται ακόμα και σήμερα», λέει ο Thorpe. Αλλά δεν είναι εύκολο να αποδειχθεί ότι τα υαλοποιημένα απόβλητα θα επιβιώσουν στα 60,000 έως εκατομμύρια χρόνια που είναι απαραίτητα για την πλήρη αποσύνθεση των ραδιενεργών αποβλήτων – το ιώδιο-129, για παράδειγμα, έχει χρόνο ημιζωής άνω των 15 εκατομμυρίων ετών.

Όταν το γυαλί έρχεται σε επαφή με νερό ή υδρατμούς, αρχίζει να φθείρεται πολύ αργά. Πρώτον, τα αλκαλικά μέταλλα (νάτριο ή κάλιο) ξεπλένονται. Τα γυάλινα δίκτυα αρχίζουν στη συνέχεια να διασπώνται, απελευθερώνοντας πυριτικά άλατα (και επίσης βορικά στην περίπτωση του βοριοπυριτικού γυαλιού) που στη συνέχεια σχηματίζουν ένα άμορφο στρώμα γέλης στην επιφάνεια του γυαλιού. Αυτό γίνεται πυκνό με την πάροδο του χρόνου, δημιουργώντας ένα εξωτερικό στρώμα «παθητικότητας» που μπορεί επίσης να περιέχει δευτερογενείς κρυσταλλωμένες φάσεις – ενώσεις που σχηματίζονται από την επιφανειακή ανακρυστάλλωση του υλικού που έχει απελευθερωθεί από το χύμα γυαλί. Σε αυτό το σημείο, η περαιτέρω διάβρωση περιορίζεται από την ικανότητα των στοιχείων να μεταναστεύουν μέσω αυτής της επίστρωσης.

Αλλά αν αλλάξουν οι συνθήκες ή υπάρχουν ορισμένα ορυκτά είδη, το στρώμα παθητικοποίησης μπορεί επίσης να σπάσει. «Οι μελέτες έχουν επισημάνει στοιχεία ανησυχίας που θα μπορούσαν να εμπλέκονται σε κάτι που ονομάζεται επαναφορά του ρυθμού, όπου ορισμένα από τα δευτερεύοντα ορυκτά ιζήματα -ιδιαίτερα οι ζεόλιθοι σιδήρου και μαγνησίου- έχουν εμπλακεί στην επιτάχυνση της διάλυσης του γυαλιού», εξηγεί ο Thorpe (εικόνα 2).

Μία από τις μεθόδους που χρησιμοποιούν οι Thorpe και Pearce για να κατανοήσουν αυτούς τους μηχανισμούς είναι η επιταχυνόμενη δοκιμή του νεοσχηματισμένου γυαλιού. «Στο εργαστήριο, για να επιταχύνουμε την αντίδραση [ισιώνουμε] το γυαλί για να αυξήσουμε την επιφάνεια και αυξάνουμε τη θερμοκρασία, συνήθως μέχρι τους 90 °C», λέει ο Thorpe. "Αυτό είναι πραγματικά αποτελεσματικό για την κατάταξη των ποτηριών - λέγοντας ότι αυτό είναι πιο ανθεκτικό από αυτό - αλλά δεν είναι εξαιρετικό για τον προσδιορισμό του πραγματικού ρυθμού διάλυσης σε ένα περίπλοκο φυσικό περιβάλλον."

Αντίθετα, οι ερευνητές έχουν στραφεί σε αναλογικά γυαλιά που υπάρχουν ήδη. «Τα βοριοπυριτικά γυαλιά υπάρχουν μόνο για περίπου 100 χρόνια. Έχουμε κάποια δεδομένα για το πώς συμπεριφέρονται μακροπρόθεσμα, αλλά τίποτα δεν εκτείνεται στα είδη των χρονοδιαγραμμάτων που χρειαζόμαστε για να σκεφτούμε την αποθήκευση ραδιενεργών αποβλήτων», λέει ο Thorpe. Τα φυσικά γυαλιά δεν είναι πάντα η κατάλληλη σύγκριση, καθώς τείνουν να έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε αλκαλικά στοιχεία, τα οποία βρίσκονται συνήθως σε γυαλιά πυρηνικών αποβλήτων και επηρεάζουν τις ιδιότητές τους – επομένως η άλλη επιλογή ήταν τα αρχαιολογικά γυαλιά. Αν και οι συνθέσεις τους δεν είναι πανομοιότυπες με τα απορρίμματα γυαλιού, περιέχουν μια ποικιλία στοιχείων. «Απλώς έχοντας αυτές τις διαφορετικές χημείες μας επιτρέπει πραγματικά να δούμε τον ρόλο που παίζει αυτό από την άποψη της αλλαγής», λέει ο Pearce.

Γυαλί από το παρελθόν

Πριν ανακαλύψουν πώς να δημιουργήσουν γυαλί, οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν φυσικό γυαλί τόσο για τη δύναμη όσο και για την ομορφιά του. Ένα παράδειγμα είναι το θωρακικό, ή καρφίτσα, που βρέθηκε στον τάφο του Τουταγχαμών. Τοποθετημένο στο στήθος της μούμιας, περιέχει ένα κομμάτι ωχροκίτρινου φυσικού γυαλιού σε σχήμα σκαραβαίου τουλάχιστον πριν από 3300 χρόνια. Το γυαλί προήλθε από την έρημο της Λιβύης, με πρόσφατες έρευνες να αποδίδουν τον σχηματισμό του σε πρόσκρουση μετεωρίτη πριν από 29 εκατομμύρια χρόνια. Οι επιστήμονες κατέληξαν σε αυτό το συμπέρασμα λόγω της παρουσίας κρυστάλλων πυριτικού ζιρκονίου μέσα στο γυαλί, οι οποίοι προέρχονται από το ορυκτό ρεϊδίτη που σχηματίζεται σε υψηλή πίεση (Γεωλογία 47 609).

«Η παλαιότερη παραγωγή γυαλιού σε τακτική βάση είναι περίπου το 1600 π.Χ.», λέει Άντριου Σόρτλαντ, αρχαιολόγος στο Πανεπιστήμιο Cranfield στο Ηνωμένο Βασίλειο. «Το πιο εντυπωσιακό γυάλινο αντικείμενο από όλα, χωρίς αμφιβολία, είναι η μάσκα θανάτου του Τουταγχαμών στον κατάλογο του Καΐρου [Μουσείο]».

Τον τελευταίο αιώνα, οι αρχαιολόγοι διαφώνησαν σχετικά με το πού κατασκευάστηκε για πρώτη φορά το γυαλί σε μεγάλη κλίμακα, με τη βόρεια Συρία και την Αίγυπτο να είναι και οι δύο πρωταρχικές υποψήφιες. «Θα έλεγα ότι αυτή τη στιγμή είναι πολύ κοντά για να τηλεφωνήσω», λέει ο Shortland. Τα γυαλιά που ανασκάφηκαν είναι γυαλιά πυριτικού ασβέστη - όχι πολύ διαφορετικά από το γυαλί που χρησιμοποιούμε ακόμα στα παράθυρά μας. Αυτά παρήχθησαν χρησιμοποιώντας πυριτικά ορυκτά με «ροή» που περιέχει σόδα (Na₂CO₃), το οποίο μειώνει το σημείο τήξης σε μια εφικτή θερμοκρασία τήξης και ο ασβέστης (CaCO₃) για να γίνει το γυαλί πιο σκληρό και χημικά πιο ανθεκτικό. «Το πυρίτιο σε αυτά τα πρώιμα ποτήρια προέρχεται από θρυμματισμένο χαλαζία, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε επειδή είναι πολύ καθαρός, πολύ χαμηλός σε σίδηρο, τιτάνιο και άλλα πράγματα που χρωματίζουν το γυαλί».

Το πρόβλημα της διάβρωσης του γυαλιού είναι γνωστό στους αρχαιολόγους συντηρητές που στοχεύουν στη σταθεροποίηση του γυαλιού όταν ανασκάπτεται πρόσφατα ή αποθηκεύεται σε μουσεία. «Η υγρασία, προφανώς, είναι το χειρότερο πράγμα για το γυαλί», λέει Duygu Çamurcuoğlu, ανώτερος συντηρητής αντικειμένων στο Βρετανικό Μουσείο στο Λονδίνο. «Αν δεν φροντιστεί καλά, η υγρασία θα αρχίσει να επιτίθεται και να διαλύει το γυαλί». Ο Çamurcuoğlu εξηγεί ότι η πανέμορφη ιριδίζουσα επιφάνεια αρχαιολογική οθόνη γυαλιών αποτελείται συχνά από σχεδόν 90% πυριτικό άλας, επειδή άλλα ιόντα, ιδιαίτερα τα ιόντα αλκαλίων, θα έχουν αφαιρεθεί από τη διάβρωση.

Αρχαιολογικά ανάλογα

Το κλειδί για τη χρήση αρχαιολογικών γυαλιών ως αναλόγου για υαλοποιημένα πυρηνικά απόβλητα είναι η καλή γνώση των περιβαλλοντικών συνθηκών που έχουν βιώσει τα αντικείμενα. Το πρόβλημα είναι ότι όσο πιο παλιό είναι το ποτήρι γίνεται σκληρότερο. «Κάτι που είναι 200 ​​ετών μπορεί στην πραγματικότητα να είναι πιο χρήσιμο», εξηγεί ο Thorpe, «επειδή μπορούμε να εντοπίσουμε ακριβώς τα πλήρη αρχεία για το κλίμα». Συγκρίνοντας αρχαιολογικά δείγματα με υαλοποιημένα απόβλητα, ο Thorpe και οι συνεργάτες του είναι σε θέση να επικυρώσουν ορισμένους από τους μηχανισμούς που βλέπουν στις επιταχυνόμενες δοκιμές υψηλής θερμοκρασίας, επιβεβαιώνοντας έτσι εάν έχουν ή όχι παρόμοιες διαδικασίες και σχηματισμό ορυκτών και ότι δεν υπάρχει τίποτα. παραβλέπεται.

Σύμφωνα με την εμπειρία του Shortland, οι ακριβείς τοπικές περιβαλλοντικές συνθήκες μπορούν να κάνουν μεγάλη διαφορά στο χρόνο επιβίωσης του γυαλιού. Θυμάται ότι χρησιμοποίησε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης για να αναλύσει γυαλί από την πόλη Nuzi της Ύστερης Εποχής του Χαλκού, κοντά στο Κιρκούκ στο Ιράκ, που ανασκάφηκε αρχικά τη δεκαετία του 1930. «Παρατηρήσαμε ότι κάποιο από το γυαλί ήταν τέλεια διατηρημένο, είχε όμορφο χρώμα και ήταν στιβαρό, ενώ άλλα κομμάτια είχαν φθαρεί και είχαν εξαφανιστεί εντελώς». Όμως, εξηγεί, τα δείγματα βρίσκονταν συχνά στα ίδια σπίτια σε κοντινά δωμάτια. «Είχαμε να κάνουμε με μικροπεριβάλλοντα». Μια μικρή διαφορά στην ποσότητα υγρασίας για πάνω από 3000 χρόνια δημιούργησε πολύ διαφορετικά μοτίβα καιρικών συνθηκών, όπως διαπίστωσαν (Αρχαιομετρία 60 764).

Φυσικά, το είδος των τεχνουργημάτων από γυαλί που βρέθηκαν στο Nuzi ή αλλού είναι πολύ πολύτιμα για να δοθούν σε επιστήμονες πυρηνικών αποβλήτων για δοκιμή, αλλά υπάρχουν πολλά λιγότερο σπάνια κομμάτια αρχαιολογικού γυαλιού διαθέσιμα. Ο Thorpe εξετάζει αρκετούς καλά χαρακτηρισμένους αρχαιολογικούς χώρους όπου το υλικό μπορεί να παρέχει χρήσιμα ανάλογα, όπως η σκωρία - το απόβλητο από πυριτικό γυαλί που σχηματίζεται κατά την τήξη σιδήρου. Τούβλα σκωρίας είχαν ενσωματωθεί σε έναν τοίχο στο χυτήριο Black Bridge, μια τοποθεσία στην πόλη Hayle στην Κορνουάλη του Ηνωμένου Βασιλείου, που κατασκευάστηκε γύρω στο 1811 (Chem. Geol. 413 28). «Είναι αρκετά ανάλογα με κάποιο από το μολυσμένο με πλουτώνιο υλικό όταν υαλοποιούνται», εξηγεί. «Μπορείτε να είστε βέβαιοι ότι έχουν εκτεθεί είτε στον αέρα είτε στις εκβολές που κάθονται για 250 χρόνια. Έχει επίσης ερευνήσει ράβδους γυαλιού 265 ετών από το Albion ναυάγιο στα ανοικτά των ακτών του Margate, στο Ηνωμένο Βασίλειο, όπου υπάρχουν ολοκληρωμένα αρχεία για τις θερμοκρασίες του νερού και την αλατότητα που χρονολογούνται πριν από 200 χρόνια.

Ο Thorpe και άλλοι έχουν επίσης εξετάσει την επίδραση των μετάλλων στη σταθερότητα του γυαλιού. «Μας ενδιαφέρει πολύ ο ρόλος του σιδήρου καθώς θα υπάρχει λόγω των δοχείων [που συγκρατούν τα υαλοποιημένα απόβλητα]. Στις φυσικές ανάλογες τοποθεσίες, είναι παρόν επειδή πολλές φορές το γυαλί βρίσκεται στο χώμα ή, στην περίπτωση των σκωριών, περιβάλλεται από υλικό πλούσιο σε σίδηρο.» Το ανησυχητικό είναι ότι τα θετικά ιόντα σιδήρου, που εκπλένονται από το γυαλί ή το περιβάλλον, καθαρίζουν αρνητικά φορτισμένα πυριτικά από το επιφανειακό στρώμα γέλης του γυαλιού. Αυτό θα καταβυθίσει τα ορυκτά πυριτικού σιδήρου, δυνητικά διαταράσσοντας το στρώμα διήθησης και πυροδοτώντας την επανέναρξη του ρυθμού. Αυτή η επίδραση έχει παρατηρηθεί σε πολλές εργαστηριακές μελέτες (Περικυκλώ. Sci. Technol. 47 750) αλλά ο Thorpe θέλει να το δει να συμβαίνει στο πεδίο σε χαμηλές θερμοκρασίες επειδή η θερμοδυναμική είναι πολύ διαφορετική από τις επιταχυνόμενες δοκιμές. Μέχρι στιγμής, δεν έχουν αποδείξεις ότι αυτό συμβαίνει με υαλοποιημένα πυρηνικά απόβλητα και είναι βέβαιοι ότι με ή χωρίς την παρουσία σιδήρου, αυτά τα γυαλιά είναι πολύ ανθεκτικά. Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τις διαδικασίες που μπορεί να επηρεάσουν τον ρυθμό με τον οποίο συμβαίνει η διάβρωση.

Μια βιολογική πρόκληση

Ένα ανάλογο ποτήρι που μελετούν ο Pearce και οι συνεργάτες του προέρχεται από το λόφο Broborg προ-Βίκινγκ στη Σουηδία, το οποίο καταλήφθηκε περίπου πριν από 1500 χρόνια. Περιέχει υαλοποιημένους τοίχους που ο Pearce πιστεύει ότι κατασκευάστηκαν σκόπιμα, αντί να είναι αποτέλεσμα τυχαίας ή βίαιης καταστροφής της τοποθεσίας. Τα τοιχώματα από γρανίτη ενισχύθηκαν με την τήξη πετρωμάτων αμφιβολίτη που περιέχουν σε μεγάλο βαθμό πυριτικά ορυκτά, για να σχηματιστεί ένα υαλοποιημένο κονίαμα που περιβάλλει τους ογκόλιθους από γρανίτη. «Γνωρίζουμε ακριβώς τι συνέβη στο γυαλί όσον αφορά τις θερμοκρασίες που έχει εκτεθεί και την ποσότητα της βροχόπτωσης, μέσω αρχείων στη Σουηδία που χρονολογούνται εκείνα τα 1500 χρόνια», λέει ο Pearce.

Χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να μελετήσουν το γυαλί Broborg, οι ερευνητές έμειναν έκπληκτοι όταν βρήκαν την επιφάνεια εκτεθειμένη στο περιβάλλον καλυμμένη από βακτήρια, μύκητες και λειχήνες. Η ομάδα του Pearce προσπαθεί τώρα να κατανοήσει τις επιπτώσεις μιας τέτοιας βιολογικής δραστηριότητας στη σταθερότητα του γυαλιού. Η τοποθεσία περιέχει πολλές διαφορετικές γυάλινες συνθέσεις και διαπίστωσαν ότι δείγματα με περισσότερο σίδηρο έδειξαν περισσότερες ενδείξεις μικροβιακού αποικισμού (πιθανώς λόγω του μεγαλύτερου αριθμού οργανισμών ικανών να μεταβολίζουν τον σίδηρο) και περισσότερες ενδείξεις σωματικής βλάβης, όπως το κοίλωμα.

Αν και φαίνεται ότι ορισμένοι οργανισμοί μπορούν να ευδοκιμήσουν σε αυτές τις σκληρές συνθήκες και μπορεί ακόμη και να εξάγουν στοιχεία από το υλικό, ο Pearce εξηγεί ότι είναι επίσης πιθανό ένα βιοφίλμ να παρέχει ένα προστατευτικό στρώμα. «Στα βακτήρια αρέσει να ζουν σε σχετικά αμετάβλητες συνθήκες, καθώς όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί εμπλέκονται στην ομοιόσταση και έτσι προσπαθούν να ρυθμίσουν το pH και την περιεκτικότητα σε νερό γύρω τους». Η ομάδα της τώρα προσπαθεί να προσδιορίσει ποιος ρόλος παίζει το βιοφίλμ και πώς σχετίζεται με τη σύνθεση του γυαλιού (npj Υποβάθμιση υλικών 5 61).

Το βασικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν όσοι θέλουν να δημιουργήσουν τα πιο σταθερά γυαλιά πυρηνικών αποβλήτων είναι αυτό της μακροζωίας. Αλλά για τους αρχαιολόγους συντηρητές που προσπαθούν να σταθεροποιήσουν το φθαρμένο γυαλί, έχουν μια πιο επείγουσα πρόκληση, η οποία είναι να αφαιρέσουν την υγρασία και επομένως να σταματήσουν το ράγισμα και τη θραύση του γυαλιού. Το αρχαιολογικό γυαλί μπορεί να ενοποιηθεί με ακρυλική ρητίνη, που εφαρμόζεται πάνω από το ιριδίζον στρώμα διάβρωσης. «Είναι στην πραγματικότητα [μέρος] του ίδιου του γυαλιού, επομένως θα πρέπει να προστατεύεται», λέει ο Çamurcuoğlu.

Παρά το πόσο καιρό χρησιμοποιούμε γυαλί, υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος για να κατανοήσουμε πλήρως πώς η δομή και η σύνθεσή του επηρεάζουν τη σταθερότητά του. «Με εκπλήσσει το γεγονός ότι ακόμα δεν μπορούμε να μαντέψουμε με ακρίβεια τη θερμοκρασία τήξης ενός ποτηριού από τη σύνθεσή του. Πολύ μικρές ποσότητες πρόσθετων στοιχείων μπορούν να έχουν τεράστια αποτελέσματα – είναι πραγματικά μια σκοτεινή τέχνη», μούζει ο Thorpe.

Η δουλειά της στο Σέφιλντ θα συνεχιστεί, με κάποια έργα που της έχουν παραδοθεί που λειτουργούν για πάνω από 50 χρόνια. Το λατομείο Ballidon στο Derbyshire του Ηνωμένου Βασιλείου, για παράδειγμα, φιλοξενεί ένα από τα πιο μακροχρόνια πειράματα «ταφής από γυαλί» στον κόσμο. Ο στόχος είναι να δοκιμαστεί η υποβάθμιση των αρχαιολογικών γυαλιών κάτω από τις αλκαλικές συνθήκες που θα αντιμετωπίσουν τα υαλοποιημένα πυρηνικά απόβλητα, παράλληλα με τα απόβλητα που περικλείονται σε τσιμέντο (J. Glass Stud. 14 149). Το πείραμα προορίζεται να διαρκέσει για 500 χρόνια. Το αν το ίδιο το πανεπιστήμιο θα διαρκέσει αυτό το χρονικό διάστημα μένει να φανεί, αλλά όσον αφορά τα πυρηνικά απόβλητα από τα οποία εργάζονται για να μας προστατεύσουν, σίγουρα θα αντέξει.

Ο ορθοστάτης Μια γυάλινη λύση για τα πυρηνικά απόβλητα εμφανίστηκε για πρώτη φορά σε Κόσμος Φυσικής.

• Coinsmart. Το καλύτερο ανταλλακτήριο Bitcoin και Crypto στην Ευρώπη.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΠΡΟΣΒΑΣΗ.
• CryptoHawk. Ραντάρ Altcoin. Δωρεάν δοκιμή.
• Πηγή: https://physicsworld.com/a/a-glassy-solution-to-nuclear-waste/