Klaasjas lahendus tuumajäätmetele

Vaarao Tutanhamoni kuldne surimask on üks kuulsamaid ajaloolisi esemeid maailmas. Noore kuninga särav näokuju pärineb umbes aastast 1325 eKr ja sellel on sinised ribad, mida mõnikord kirjeldatakse kui lapis lazuli. Kuid selle asemel, et olla Vana-Egiptuses eelistatud poolvääriskivid, on silmatorkav kaunistus tegelikult värviline klaas.

Ihaldatud ja kõrgelt hinnatud materjali, mida peeti autoritasu vääriliseks, vaadeldi kunagi samaväärselt vääriskividega, kusjuures iidse klaasi näited ulatusid veelgi kaugemale kui Tutanhamon. Tõepoolest, arheoloogide ja teadlaste kaevatud ja analüüsitud proovid on võimaldanud paremini mõista, kuidas ja kus klaasitootmine alguse sai. Kuid üllataval kombel uurib iidset klaasi ka teine ​​teadlaste rühm – need, kes leiavad ohutuid viise tuumajäätmete ladustamiseks.

Järgmisel aastal hakkab USA klaasistama osi oma vanadest tuumajäätmetest, mida praegu hoitakse 177 maa-aluses mahutis. Hanfordi sait, Washingtoni osariigis dekomisjoneeritud rajatis, mis tootis Teise maailmasõja ja külma sõja ajal tuumarelvade jaoks plutooniumi. Kuid idee muuta tuumajäätmed klaasiks või klaasistada töötati välja juba 1970. aastatel, et hoida radioaktiivsed elemendid lukustatuna ja vältida nende lekkimist.

Sõltuvalt nende radioaktiivsusest liigitatakse tuumajäätmed tavaliselt madala, keskmise või kõrge radioaktiivsusega jäätmeteks. Kui mõned riigid klaasistavad madala ja keskmise radioaktiivsusega jäätmeid, siis seda meetodit kasutatakse enamasti kõrgaktiivsete vedelate jäätmete immobiliseerimiseks, mis sisaldavad reaktori südamikus tekkivaid lõhustumisprodukte ja pika poolestusajaga transuraanelemente. Seda tüüpi jäätmed vajavad aktiivset jahutamist ja varjestamist, kuna need on piisavalt radioaktiivsed, et soojendada oluliselt nii ennast kui ka ümbritsevat.

Enne klaasistamist kuivatatakse (või kaltsineeritakse) vedelad jäätmed pulbriks. Seejärel lisatakse see suurtes sulatusahjudes sulaklaasi ja valatakse roostevabast terasest kanistritesse. Kui segu on jahtunud ja moodustunud tahke klaas, keevitatakse anumad kinni ja valmistatakse ette ladustamiseks, mis tänapäeval toimub sügaval maa-alustes rajatistes. Kuid klaas ei paku lihtsalt barjääri, vastavalt Clare Thorpe, teadur University of Sheffield, Ühendkuningriik, kes uurib klaasistatud tuumajäätmete vastupidavust. "See on parem kui see. Jäätmed muutuvad klaasi osaks.

Klaas ei paku ainult barjääri. See on parem kui see. Jäätmed muutuvad klaasi osaks

Clare Thorpe, Sheffieldi ülikool, Ühendkuningriik

Nende prillide pikaajalise stabiilsuse osas on aga alati olnud küsimärke. Teisisõnu, kuidas saame teada, kas need materjalid jäävad tuhandete aastate jooksul liikumatuks? Nende küsimuste paremaks mõistmiseks teevad tuumajäätmete uurijad koostööd arheoloogide, muuseumide kuraatorite ja geoloogidega, et tuvastada klaasi analooge, mis võiksid aidata meil mõista, kuidas klaasistatud tuumajäätmed aja jooksul muutuvad.

Koostisosa magus koht

Kõige stabiilsemad klaasid on valmistatud puhtast ränidioksiidist (SiO₂), kuid erinevaid lisandeid – nagu naatriumkarbonaat (Na₂CO₃), boortrioksiid (B₂O₃) ja alumiiniumoksiid (Al₂O₃) – kasutatakse sageli klaasi omaduste, näiteks viskoossuse ja sulamistemperatuuri muutmiseks. Näiteks boorsilikaatklaas (sisaldab B₂O₃) on väga väikese soojuspaisumisteguriga, mistõttu ei purune äärmuslike temperatuuride korral. "Ühendkuningriik ja teised riigid, sealhulgas USA ja Prantsusmaa, on otsustanud oma jäätmed enne ladustamist klaasistada boorsilikaatklaasiga," selgitab Thorpe.

Kui lisatakse selliseid elemente nagu lisanditest või tuumajäätmetest pärinevad elemendid, muutuvad need klaasstruktuuri osaks kas võrgu moodustajate või modifikaatoritena (joonis 1). Võrgustikku moodustavad ioonid toimivad räni asendajana, muutudes tugevalt ristseotud keemiliselt seotud võrgu lahutamatuks osaks (seda teevad näiteks boor ja alumiinium). Samal ajal katkestavad modifikaatorid sidemed hapniku ja klaasi moodustavate elementide vahel, sidudes lõdvalt hapnikuaatomitega ja tekitades "mittesildava" hapniku (naatrium, kaalium ja kaltsium liituvad sel viisil). Viimased põhjustavad materjali nõrgemat üldist sidumist, mis võib vähendada klaasi sulamistemperatuuri, pindpinevust ja viskoossust.

"Seal on teatav magus koht, kus saate õige koguse [jäätmete lisaaineid], et moodustada väga vastupidav klaas," selgitab Carolyn Pearce alates Vaikse ookeani loodeosa riiklik labor USA-s, kes uurib radionukliidide stabiilsuse kineetikat jäätmevormides. "Kui lisate liiga palju, hakkate süsteemi suruma kristallfaaside moodustamiseks, mis on problemaatiline, sest siis on teil mitmefaasiline klaas, mis pole nii vastupidav kui homogeenne ühefaasiline klaas."

Pearce ütleb, et Hanfordi jäätmed sisaldavad "peaaegu kõiki perioodilisuse tabeli elemente mingil või teisel kujul" ja neid hoitakse vedeliku, muda või soolakookidena, mistõttu on kõige stabiilsema klaasi koostise ennustamine keerulisem. "Lisatavate klaasimoodustavate elementide kujundamisel on palju modelleerimist. Nad iseloomustavad seda, mis on paagis, mis ootab rajatisse minekut, ja seejärel kujundavad selle keemia põhjal klaasi koostise.

Tuumajäätmete klaasistamise kasutamist toetab aastatuhandeid eksisteerinud looduslike klaaside stabiilsus, nagu tardklaas, fulguriidid (tuntud ka kui "kivistunud välk") ja klaas meteoriitides. "Teoreetiliselt peaksid radioaktiivsed elemendid eralduma sama kiirusega, kui klaas ise lahustub, ja me teame, et klaas on väga vastupidav, sest näeme miljoneid aastaid tagasi valmistatud vulkaaniklaase, mis seisavad ka tänapäeval," ütleb Thorpe. Kuid pole lihtne tõestada, et klaasistunud jäätmed elavad 60,000 129 kuni miljoneid aastat, mis on vajalikud radioaktiivsete jäätmete täielikuks lagunemiseks – näiteks jood-15 poolestusaeg on üle XNUMX miljoni aasta.

Kui klaas puutub kokku vee või veeauruga, hakkab see väga aeglaselt riknema. Esiteks leostuvad välja leelismetallid (naatrium või kaalium). Seejärel hakkavad klaasivõrgud lagunema, vabastades silikaate (ja boorsilikaatklaasi puhul ka boraate), mis seejärel moodustavad klaasi pinnale amorfse geelikihi. See muutub aja jooksul tihedaks, luues välimise passiveerimiskihi, mis võib sisaldada ka sekundaarseid kristalliseerunud faase – ühendeid, mis tekivad puisteklaasist vabanenud materjali pinna ümberkristalliseerumisel. Sel hetkel piirab edasist korrosiooni elementide võime läbi selle katte migreeruda.

Kuid kui tingimused muutuvad või teatud mineraalide liigid esinevad, võib ka passivatsioonikiht laguneda. "Uuringud on toonud esile muret tekitavad elemendid, mis võivad olla seotud kiiruse taastumise protsessiga, mis on koht, kus mõned sekundaarsed mineraalsed sademed – eriti raua- ja magneesiumitseoliidid – on seotud klaasi lahustumise kiirenemisega," selgitab Thorpe (joonis). 2).

Üks meetoditest, mida Thorpe ja Pearce nende mehhanismide mõistmiseks kasutavad, on äsja moodustunud klaasi kiirendatud testimine. "Reaktsiooni kiirendamiseks lamedame laboris klaasi, et suurendada pindala, ja tõstame temperatuuri, tavaliselt kuni 90 °C," ütleb Thorpe. "See on tõesti tõhus prillide järjestamiseks – öeldes, et see on vastupidavam kui see –, kuid see pole suurepärane tegeliku lahustumiskiiruse määramiseks keerulises looduskeskkonnas."

Selle asemel on teadlased pöördunud juba olemasolevate analoogprillide poole. "Borsilikaatklaasid on olnud alles umbes 100 aastat. Meil on mõned andmed selle kohta, kuidas need pikas perspektiivis käituvad, kuid miski ei ulatuks selliste ajakavadeni, mida vajame radioaktiivsete jäätmete ladustamisele mõtlemiseks, ”ütleb Thorpe. Looduslikud klaasid ei ole alati sobiv võrdlus, kuna neis on tavaliselt vähe leeliselemente, mida tavaliselt leidub tuumajäätmete klaasides ja mis mõjutavad nende omadusi – seega on teine ​​võimalus olnud arheoloogilised klaasid. Kuigi nende koostis ei ole identne klaasijäätmetega, sisaldavad need siiski mitmesuguseid elemente. "Just nende erinevate keemiate olemasolu võimaldab meil tõesti vaadata rolli, mida see mängib muutuste osas," ütleb Pearce.

Klaas minevikust

Enne klaasi loomise avastamist kasutasid inimesed looduslikku klaasi nii selle tugevuse kui ka ilu pärast. Üks näide on Tutanhamoni hauakambrist leitud rinnalihas ehk pross. Muumia rinnale asetatuna sisaldab see kahvatukollast naturaalset klaasitükki, mis on vormitud skarabeuse mardikaks vähemalt 3300 aastat tagasi. Klaas pärines Liibüa kõrbest, hiljutiste uuringute kohaselt seostatakse selle moodustumist meteoriidi kokkupõrkega 29 miljonit aastat tagasi. Teadlased jõudsid sellisele järeldusele, kuna klaasi sees on tsirkooniumsilikaadi kristalle, mis pärinevad kõrgel rõhul tekkivast mineraalsest reidiidist (Geoloogia 47 609).

"Varasemad korrapärased klaasitootmised on umbes 1600 eKr, " ütleb Andrew Shortland, arheoloogiateadlane aadressil Cranfieldi ülikool Ühendkuningriigis. "Kõige suurejoonelisem klaasobjekt üldse on kahtlemata Tutanhamoni surimask Kairo [muuseumi] kataloogis."

Viimase sajandi jooksul on arheoloogid olnud lahkarvamusel selle üle, kus esmakordselt klaasi suures mahus toodeti, kusjuures peamised kandidaadid on Põhja-Süüria ja Egiptus. "Ma ütleksin, et hetkel on see helistamiseks liiga lähedal," ütleb Shortland. Väljakaevatud klaasid on sooda-lubi silikaatklaasid – ei erine kuigi palju klaasist, mida me ikka veel oma akendes kasutame. Nende valmistamisel kasutati silikaatmineraale koos sooda sisaldava räbustiga (Na₂CO₃), mis alandab sulamistemperatuuri saavutatava sulamistemperatuurini, ja lubi (CaCO₃), et muuta klaas kõvemaks ja keemiliselt vastupidavamaks. "Nendes varajastes klaasides olev ränidioksiid pärineb purustatud kvartsist, mida kasutati, kuna see on väga puhas, väga madala raua-, titaani- ja muude klaasi värvivate asjade sisaldusega."

Klaasi korrosiooniprobleem on tuttav arheoloogilistele konservaatoritele, kelle eesmärk on stabiliseerida klaas värskelt kaevatud või muuseumides säilitamisel. "Ilmselt on niiskus klaasi jaoks halvim," ütleb Duygu Çamurcuoğlu, vanemobjektide konservaator juures Briti Muuseum Londonis. "Kui hästi ei hoolitseta, hakkab niiskus klaasi ründama ja lahustama." Çamurcuoğlu selgitab, et kauni sillerdava pinnaga arheoloogiliste klaaside väljapanek koosneb sageli peaaegu 90% silikaadist, kuna muud ioonid, eriti leeliseioonid, on korrosiooni tõttu eemaldatud.

Arheoloogilised analoogid

Arheoloogiliste klaaside klaasistunud tuumajäätmete analoogina kasutamise võti on objektide keskkonnatingimuste hea tundmine. Probleem on selles, et see muutub seda kõvemaks, mida vanem klaas on. "Midagi, mis on 200 aastat vana, võib tegelikult olla kasulikum," selgitab Thorpe, "sest saame täpselt kindlaks teha kõik kliimarekordid." Võrreldes arheoloogilisi proove klaasitud jäätmetega, saavad Thorpe ja kolleegid kinnitada mõningaid mehhanisme, mida nad oma kiirendatud kõrgtemperatuurilistel katsetel näevad, kinnitades sellega, kas neil on sarnased protsessid ja moodustuvad mineraalid ning et neil pole midagi. kahe silma vahele jäetud.

Shortlandi kogemuse kohaselt võivad täpsed kohalikud keskkonnatingimused klaasi säilivusaega oluliselt muuta. Ta mäletab skaneeriva elektronmikroskoopia kasutamist Iraagis Kirkuki lähedal asuva hilispronksiaegse Nuzi linna klaasi analüüsimiseks, mis kaevati algselt välja 1930. aastatel. "Märkasime, et osa klaasist oli suurepäraselt säilinud, ilusa värviga ja vastupidav, samas kui teised klaasid olid kulunud ja kadunud." Kuid ta selgitab, et proovid leiti sageli samadest majadest lähedal asuvates tubades. "Tegelesime mikrokeskkondadega." Väike erinevus niiskuse koguses 3000 aasta jooksul tekitas väga erinevaid ilmastikumustreid, nagu nad leidsid (Arheomeetria 60 764).

Muidugi on Nuzist või mujalt leitud klaasist esemed liiga väärtuslikud, et neid tuumajäätmetega tegelevatele teadlastele katsetamiseks anda, kuid saadaval on palju vähem haruldasi arheoloogilisi klaasitükke. Thorpe uurib mitmeid hästi iseloomustatud arheoloogilisi paiku, kus materjal võib pakkuda kasulikke analooge, näiteks räbu – raua sulatamise käigus tekkinud silikaatklaasijäätmed. Räbuplokid olid ühendatud 1811. aasta paiku ehitatud Black Bridge'i valukojas, Ühendkuningriigis Cornwallis Hayle'i linnas asuvas kohas, seina sisse.Chem. Geol. 413 28). "Need on klaasistamisel üsna sarnased mõne plutooniumiga saastunud materjaliga," selgitab ta. "Võite olla kindel, et nad on kokku puutunud kas õhu või jõesuudmega, kus nad on istunud 250 aastat." Ta on uurinud ka 265 aasta vanuseid klaasist valuplokke Albion laevahukk Ühendkuningriigis Margate'i ranniku lähedal, kus on põhjalikud andmed vee temperatuuri ja soolsuse kohta 200 aastat tagasi.

Thorpe ja teised on samuti kaalunud metallide mõju klaasi stabiilsusele. „Oleme väga huvitatud raua rollist, kuna see on kohal kanistrite [klaasitud jäätmeid hoidvate] tõttu. Looduslikes analoogsetes kohtades on see olemas, kuna klaas on suure osa ajast pinnases või räbude puhul ümbritsetud rauarikka materjaliga. Mure seisneb selles, et positiivsed rauaioonid, mis leostuvad klaasist või ümbrusest, eemaldavad negatiivselt laetud silikaadid klaasi pinna geelikihist. See sadestaks välja raudsilikaatmineraalid, mis võib häirida passifikatsioonikihti ja käivitada kiiruse taastumise. Seda toimet on täheldatud paljudes laboriuuringutes (Keskkond. Sci. Technol. 47 750), kuid Thorpe soovib näha, et see juhtuks põllul madalatel temperatuuridel, kuna termodünaamika on kiirendatud testimisest väga erinev. Seni ei ole neil tõendeid selle kohta, et see juhtub klaasistatud tuumajäätmetega, ja on kindlad, et need klaasid on väga vastupidavad nii rauaga kui ka ilma. Kuid siiski on oluline mõista protsesse, mis võivad mõjutada korrosiooni kiirust.

Bioloogiline väljakutse

Analoogklaas, mida Pearce ja kolleegid on uurinud, pärineb Rootsist Broborgi eelviikingiaegsest linnamäest, mis oli hõivatud umbes 1500 aastat tagasi. See sisaldab klaasistatud seinu, mis Pearce'i arvates olid sihipäraselt ehitatud, mitte saidi juhusliku või vägivaldse hävitamise tagajärg. Graniidist seinad tugevdati suures osas silikaatmineraale sisaldavate amfiboliitkivimite sulatamisega, et moodustada graniidirahne ümbritsev klaasistunud mört. "Me teame täpselt, mis klaasiga juhtus, mis puudutab seda, milliste temperatuuridega see on kokku puutunud ja kui palju sademeid on Rootsis nende 1500 aasta taguste andmete põhjal," ütleb Pearce.

Kasutades Broborgi klaasi uurimiseks elektronmikroskoopiat, olid teadlased üllatunud, kui avastasid, et keskkonnale avatud pind oli kaetud bakterite, seente ja samblikega. Pearce'i meeskond püüab nüüd mõista sellise bioloogilise aktiivsuse mõju klaasi stabiilsusele. Sait sisaldab mitut erinevat klaasikompositsiooni ja nad leidsid, et rohkem rauda sisaldavatel proovidel oli rohkem tõendeid mikroobide koloniseerumisest (võimalik, et rauda metaboliseerida suuteliste organismide arvukuse tõttu) ja rohkem tõendeid füüsiliste kahjustuste, näiteks aukude tekke kohta.

Kuigi tundub, et teatud organismid võivad nendes karmides tingimustes areneda ja võivad isegi materjalist elemente eraldada, selgitab Pearce, et on võimalik, et biokile moodustab ka kaitsekihi. "Bakteritele meeldib elada suhteliselt muutumatutes tingimustes, kuna kõik elusorganismid osalevad homöostaasis ja seega püüavad nad reguleerida pH-d ja veesisaldust enda ümber." Tema meeskond püüab nüüd kindlaks teha, millist rolli biofilm mängib ja kuidas see on seotud klaasi koostisega (npj Materjalide lagunemine 5 61).

Peamine probleem, millega seisavad silmitsi need, kes soovivad luua kõige stabiilsemaid tuumajäätmete prille, on pikaealisus. Kuid arheoloogiliste konservaatorite jaoks, kes üritavad riknevat klaasi stabiliseerida, on neil pakilisem väljakutse, milleks on niiskuse eemaldamine ja seega klaasi pragunemise ja purunemise peatamine. Arheoloogilist klaasi saab tihendada akrüülvaiguga, mis kantakse sillerdava korrosioonikihi peale. "See on tegelikult [osa] klaasist endast, nii et seda tuleks kaitsta, " ütleb Çamurcuoğlu.

Vaatamata sellele, kui kaua oleme klaasi kasutanud, on veel pikk tee minna, et täielikult mõista, kuidas selle struktuur ja koostis selle stabiilsust mõjutavad. “Mind paneb imestama, et me ei oska ikka veel päris täpselt arvata klaasi sulamistemperatuuri selle koostise järgi. Väga väikestel lisaelementidel võib olla tohutu mõju – see on tõesti natuke tume kunst,” muheleb Thorpe.

Tema töö Sheffieldis jätkub, mõned projektid on talle üle antud, mis on kestnud üle 50 aasta. Näiteks Ühendkuningriigis Derbyshire'is asuv Ballidoni karjäär korraldab maailma ühe kauem kestnud "klaasimatuse" katset. Eesmärk on katsetada arheoloogiliste klaaside lagunemist leeliselistes tingimustes, mida kogevad klaasistunud tuumajäätmed koos tsemendiga ümbritsetud jäätmetega (J. Glass Stud. 14 149). Katse on kavandatud kestma 500 aastat. Seda, kas ülikool ise nii kaua vastu peab, on veel näha, kuid mis puutub tuumajäätmetesse, mille eest nad meie kaitseks töötavad, siis see kindlasti kestab.

Postitus Klaasjas lahendus tuumajäätmetele ilmus esmalt Füüsika maailm.

• Münditark. Euroopa parim Bitcoini ja krüptobörs.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. TASUTA PÄÄS.
• CryptoHawk. Altcoini radar. Tasuta prooviversioon.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/a-glassy-solution-to-nuclear-waste/