Lasimainen ratkaisu ydinjätteeseen

Faarao Tutankhamonin kultainen kuolinaamio on yksi maailman tunnetuimmista historiallisista esineistä. Nuoren kuninkaan kiiltävä visage juontaa juurensa noin 1325 eaa., ja siinä on siniset nauhat, joita joskus kutsutaan lapis lazuliksi. Silti sen sijaan, että se olisi muinaisessa Egyptissä suosittu puolijalokive, silmiinpistävä koriste on itse asiassa värillistä lasia.

Kuninkaallisen arvostettua ja arvostettua materiaalia lasia katsottiin aikoinaan jalokivien rinnalla, ja esimerkkejä muinaisesta lasista on jopa Tutankhamonin jälkeiseltä ajalta. Arkeologien ja tutkijoiden kaivamat ja analysoimat näytteet ovatkin auttaneet ymmärtämään paremmin, miten ja missä lasin tuotanto alkoi. Mutta yllättävää kyllä, muinaista lasia tutkii myös toinen tutkijaryhmä – ne, jotka löytävät turvallisia tapoja varastoida ydinjätteitä.

Ensi vuonna Yhdysvallat alkaa lasittaa osia perinnöllisestä ydinjätteestä, joka on tällä hetkellä 177 maanalaisessa varastosäiliössä. Hanfordin sivusto, käytöstä poistettu laitos Washingtonin osavaltiossa, joka tuotti plutoniumia ydinaseita varten toisen maailmansodan ja kylmän sodan aikana. Mutta ajatus ydinjätteen muuntamisesta lasiksi tai lasiksi kehitettiin jo 1970-luvulla keinona pitää radioaktiiviset elementit lukittuna ja estää niitä vuotamasta ulos.

Ydinjäte luokitellaan tyypillisesti matala-, keski- tai korkea-aktiiviseksi sen radioaktiivisuuden mukaan. Jotkut maat lasittavat matala- ja keskiaktiivisen jätteen, mutta menetelmää käytetään enimmäkseen immobilisoimaan korkea-aktiivista nestemäistä jätettä, joka sisältää fissiotuotteita ja transuraanielementtejä, joilla on pitkä puoliintumisaika ja joita syntyy reaktorin sydämessä. Tämäntyyppinen jäte vaatii aktiivista jäähdytystä ja suojausta, koska se on tarpeeksi radioaktiivista lämmittääkseen merkittävästi sekä itseään että ympäristöään.

Ennen lasitusprosessia nestemäinen jäte kuivataan (tai kalsinoidaan) jauheeksi. Tämä lisätään sitten sulaan lasiin valtavissa sulatoissa ja kaadetaan ruostumattomasta teräksestä valmistettuihin kapseleihin. Kun seos on jäähtynyt ja muodostanut kiinteän lasin, säiliöt hitsataan kiinni ja valmistetaan varastointia varten, mikä nykyään tapahtuu syvällä maanalaisissa tiloissa. Mutta lasi ei ole vain este, mukaan Clare Thorpe, tutkija yrityksessä Sheffieldin yliopistoIso-Britanniassa, joka tutkii lasitetun ydinjätteen kestävyyttä. "Se on parempi kuin se. Jätteestä tulee osa lasia.”

Lasi ei ole vain este. Se on parempi kuin se. Jätteestä tulee osa lasia

Clare Thorpe, Sheffieldin yliopisto, Iso-Britannia

Näiden lasien pitkäaikaisesta stabiilisuudesta on kuitenkin aina ollut kysymysmerkkejä. Mistä toisin sanoen voimme tietää, pysyvätkö nämä materiaalit liikkumattomina tuhansien vuosien ajan? Ydinjätteen tutkijat työskentelevät arkeologien, museokuraattorien ja geologien kanssa ymmärtääkseen näitä kysymyksiä paremmin löytääkseen lasianalogeja, jotka voivat auttaa meitä ymmärtämään, kuinka lasitettu ydinjäte muuttuu ajan myötä.

Ainesosa makea paikka

Vakaimmat lasit on valmistettu puhtaasta piidioksidista (SiO₂), mutta erilaisia ​​lisäaineita – kuten natriumkarbonaattia (Na₂CO₃), booritrioksidi (B₂O₃) ja alumiinioksidi (Al₂O₃) – sisällytetään usein muuttamaan lasin ominaisuuksia, kuten viskositeettia ja sulamispistettä. Esimerkiksi borosilikaattilasi (sisältää B₂O₃) on erittäin alhainen lämpölaajenemiskerroin, joten se ei halkeile äärimmäisissä lämpötiloissa. "Iso-Britannia ja muut maat, mukaan lukien Yhdysvallat ja Ranska, ovat päättäneet lasittaa jätteensä borosilikaattilasilla ennen varastointia", Thorpe selittää.

Kun sisällytetään elementtejä, kuten lisäaineista tai ydinjätteestä peräisin olevia, niistä tulee osa lasirakennetta joko verkon muodostajina tai modifioijina (kuva 1). Verkoston muodostavat ionit toimivat piin korvikkeena, ja niistä tulee olennainen osa voimakkaasti silloitettua kemiallisesti sitoutunutta verkkoa (esimerkiksi boori ja alumiini tekevät tämän). Samaan aikaan modifioijat katkaisevat hapen ja lasia muodostavien alkuaineiden väliset sidokset sitoutumalla löyhästi happiatomeihin ja aiheuttaen "ei-silloittavan" hapen (natrium, kalium ja kalsium yhdistyvät tällä tavalla). Jälkimmäiset aiheuttavat materiaalin heikomman kokonaissidoksen, mikä voi alentaa lasin sulamispistettä, pintajännitystä ja viskositeettia.

"On tietty makea paikka, josta saat oikean määrän [jätteen lisäaineita] erittäin kestävän lasin muodostamiseksi", selittää. Carolyn Pearce mistä Pacific Northwest National Laboratory Yhdysvalloissa, joka tutkii radionuklidien stabiilisuuden kinetiikkaa jätemuodoissa. "Jos lisää liikaa, alkaa työntää järjestelmää muodostamaan kiteisiä faaseja, mikä on ongelmallista, koska silloin on monifaasilasi, joka ei ole yhtä kestävää kuin homogeeninen yksifaasilasi."

Pearce sanoo, että Hanfordin jäte sisältää "käytännössä kaikki jaksollisen taulukon elementit tavalla tai toisella" ja varastoituu nesteenä, lietenä tai suolakakkuina, mikä vaikeuttaa stabiilimman lasikoostumuksen ennustamista. ”Lisättävien lasia muodostavien elementtien suunnittelussa on paljon mallintamista. He karakterisoivat, mitä säiliössä on laitoksessa, ja suunnittelevat sitten lasin koostumuksen tämän kemian perusteella.

Lasituksen käyttöä ydinjätteessä tukevat vuosituhansien ajan olleet luonnonlasit, kuten magmalasi, fulguriitit (tunnetaan myös nimellä "fossiloitunut salama") ja meteoriiteissa oleva lasi. "Teoriassa radioaktiivisia elementtejä pitäisi vapautua samalla nopeudella kuin lasi itse liukenee, ja tiedämme, että lasi on erittäin kestävää, koska voimme nähdä miljoonia vuosia sitten valmistettuja vulkaanisia laseja istuvan edelleen", Thorpe sanoo. Mutta ei ole helppoa todistaa, että lasitettu jäte selviää 60,000 129 - miljoonia vuosia, jotka tarvitaan radioaktiivisen jätteen täydelliseen hajoamiseen – esimerkiksi jodi-15:n puoliintumisaika on yli XNUMX miljoonaa vuotta.

Kun lasi joutuu kosketuksiin veden tai vesihöyryn kanssa, se alkaa huonontua hyvin hitaasti. Ensin alkalimetallit (natrium tai kalium) huuhtoutuvat ulos. Lasiverkostot alkavat sitten hajota ja vapauttaa silikaatteja (ja myös boraatteja borosilikaattilasin tapauksessa), jotka muodostavat myöhemmin amorfisen geelikerroksen lasin pinnalle. Tämä tiivistyy ajan myötä, jolloin syntyy ulompi "passivointikerros", joka voi sisältää myös toissijaisia ​​kiteytyneitä faaseja – yhdisteitä, jotka muodostuvat bulkkilasista vapautuneen materiaalin pintakiteytymisestä. Tässä vaiheessa lisäkorroosiota rajoittaa elementtien kyky kulkeutua tämän pinnoitteen läpi.

Mutta jos olosuhteet muuttuvat tai tiettyjä mineraalilajeja esiintyy, myös passivointikerros voi hajota. "Tutkimukset ovat tuoneet esiin huolenaiheita, jotka voivat liittyä niin kutsuttuun nopeuden jatkamiseen, jolloin jotkin sekundaariset mineraalisaostumat - erityisesti rauta- ja magnesiumzeoliitit - ovat osallisina lasin liukenemisnopeuden nopeutumista", selittää Thorpe (kuva 2).

Yksi menetelmistä, jota Thorpe ja Pearce käyttävät ymmärtääkseen näitä mekanismeja, on vastamuodostetun lasin nopeutettu testaus. "Laboratoriossa reaktion nopeuttamiseksi [tasistamme] lasin pinta-alan lisäämiseksi ja nostamme lämpötilaa, tyypillisesti jopa 90 °C", Thorpe sanoo. "Tämä on todella tehokas silmälasien luokittelussa - sanoen, että tämä on kestävämpi kuin tämä - mutta ei hyvä määrittämään todellista liukenemisnopeutta monimutkaisessa luonnonympäristössä."

Sen sijaan tutkijat ovat siirtyneet jo olemassa oleviin analogisiin laseihin. "Borsilikaattilasit ovat olleet olemassa vasta noin 100 vuotta. Meillä on tietoa siitä, miten ne käyttäytyvät pitkällä aikavälillä, mutta mikään ei ulottuisi sellaisiin aikaskaaloihin, joita tarvitsemme radioaktiivisen jätteen varastoinnin ajatteluun, Thorpe sanoo. Luonnonlasit eivät aina ole sopiva vertailukohta, koska niissä on yleensä vähän alkalielementtejä, joita esiintyy yleisesti ydinjätelaseissa ja jotka vaikuttavat niiden ominaisuuksiin – joten toinen vaihtoehto on ollut arkeologiset lasit. Vaikka niiden koostumukset eivät ole identtisiä jätelasin kanssa, ne sisältävät erilaisia ​​​​elementtejä. "Näiden erilaisten kemikaalien avulla voimme todella tarkastella roolia, joka tällä on muutoksen kannalta", Pearce sanoo.

Lasi menneisyydestä

Ennen kuin ihmiset keksivät lasin luomisen, ihmiset käyttivät luonnonlasia sen lujuuden ja kauneuden vuoksi. Yksi esimerkki on Tutankhamonin haudasta löydetty rintakoru. Muumion rintaan asetettuna se sisältää palan vaaleankeltaista luonnonlasia, joka on muotoiltu skarabeekuoriaiseksi vähintään 3300 vuotta sitten. Lasi tuli Libyan autiomaasta, ja viimeaikaisten tutkimusten mukaan sen muodostuminen johtuu meteoriitin törmäyksestä 29 miljoonaa vuotta sitten. Tutkijat päätyivät tähän johtopäätökseen, koska lasissa on zirkoniumsilikaattikiteitä, jotka ovat peräisin korkeassa paineessa muodostuvasta reidiitistä (Geologia 47 609).

"Varhaisin lasin säännöllinen tuotanto on noin 1600 eaa.", sanoo Andrew Shortland, arkeologinen tutkija osoitteessa Cranfieldin yliopisto Iso-Britanniassa. "Kaikista näyttävin lasiesine on epäilemättä Tutankhamonin kuolemanaamio Kairon [museon] luettelossa."

Viime vuosisadan aikana arkeologit ovat olleet erimielisiä siitä, missä lasia ensimmäisen kerran valmistettiin suuressa mittakaavassa, ja Pohjois-Syyria ja Egypti ovat molemmat olleet tärkeimpiä ehdokkaita. "Sanoisin, että tällä hetkellä se on liian lähellä soittaa", Shortland sanoo. Kaivetut lasit ovat sooda-kalkkisilikaattilaseja – eivät kovin erilaisia ​​kuin ikkunoissamme edelleen käyttämämme lasit. Nämä valmistettiin käyttämällä silikaattimineraaleja, joissa oli soodaa (Na₂CO₃), joka alentaa sulamispisteen saavutettavissa olevaan sulamislämpötilaan, ja kalkkia (CaCO₃), jotta lasista tulee kovempaa ja kemiallisesti kestävämpää. "Näiden varhaisten lasien piidioksidi tulee murskatusta kvartsista, jota käytettiin, koska se on erittäin puhdasta, sisältää erittäin vähän rautaa, titaania ja muuta lasia värjäävää."

Lasin korroosion ongelma on tuttu arkeologisille konservaattoreille, jotka pyrkivät stabiloimaan lasia, kun se kaivetaan vasta kaivettua tai säilytetään museoissa. "Kosteus on tietysti pahin asia lasille", sanoo Duygu Çamurcuoğlu, vanhempi esineiden konservaattori British Museum Lontoossa. "Jos sitä ei hoideta hyvin, kosteus alkaa hyökätä ja liuottaa lasia." Çamurcuoğlu selittää, että kauniin värikäs pinnan arkeologiset lasit koostuvat usein lähes 90 % silikaatista, koska muut ionit, erityisesti alkali-ionit, ovat poistuneet korroosiosta.

Arkeologiset analogit

Avain arkeologisten lasien käyttämiseen lasitetun ydinjätteen analogina on kohteiden kokemien ympäristöolosuhteiden hyvä tuntemus. Ongelmana on, että se tulee kovempaa mitä vanhempi lasi on. "Jotain 200 vuotta vanhaa saattaa olla enemmän hyötyä", Thorpe selittää, "koska voimme löytää tarkalleen täydelliset ilmastoennätykset." Vertaamalla arkeologisia näytteitä lasitettuun jätteeseen Thorpe ja kollegat pystyvät validoimaan joitain mekanismeja, joita he näkevät nopeutetussa korkean lämpötilan testauksessaan ja vahvistavat näin, onko niissä samanlaisia ​​prosesseja ja muodostuuko mineraaleja ja ettei heillä ole mitään. unohdettu.

Shortlandin kokemuksen mukaan tarkat paikalliset ympäristöolosuhteet voivat vaikuttaa paljon lasin säilymisaikaan. Hän muistaa käyttäneensä pyyhkäisyelektronimikroskooppia analysoidakseen lasia myöhäisen pronssikauden Nuzin kaupungista lähellä Kirkukia Irakissa, alun perin kaivettua 1930-luvulla. "Huomasimme, että osa lasista oli säilynyt täydellisesti, kauniin värinen ja vankka, kun taas osa lasista oli kulunut ja kadonnut kokonaan." Mutta hän selittää, että näytteet löytyivät usein samoista taloista läheisistä huoneista. "Olimme tekemisissä mikroympäristöjen kanssa." Pieni ero kosteuden määrässä 3000 vuoden aikana loi hyvin erilaisia ​​sääkuvioita, kuten he havaitsivat (Arkeometria 60 764).

Tietenkin Nuzista tai muualta löydetyt lasiesineet ovat aivan liian arvokkaita luovutettavaksi ydinjätteen tutkijoille testattavaksi, mutta saatavilla on monia harvinaisempia arkeologisen lasin paloja. Thorpe tutkii useita hyvin karakterisoituja arkeologisia kohteita, joissa materiaali voi tarjota hyödyllisiä analogeja, kuten kuona - raudan sulatuksen aikana muodostuva silikaattilasijäte. Kuonalohkot oli liitetty seinään Black Bridgen valimossa, joka sijaitsee Haylen kaupungissa Cornwallissa, Isossa-Britanniassa ja joka rakennettiin noin vuonna 1811.Chem. Geol. 413 28). "Ne ovat melko analogisia joidenkin plutoniumin saastuttamien materiaalien kanssa, kun ne lasitetaan", hän selittää. "Voit olla varma, että he ovat olleet alttiina joko ilmalle tai suistolle, jossa he ovat istuneet 250 vuoden ajan." Hän on myös tutkinut 265 vuotta vanhoja lasiharkkoja Albion haaksirikko Margaten rannikolla Isossa-Britanniassa, jossa on kattavat tiedot veden lämpötiloista ja suolapitoisuudesta 200 vuoden takaa.

Thorpe ja muut ovat myös pohtineet metallien vaikutusta lasin vakauteen. "Olemme erittäin kiinnostuneita raudan roolista, koska se tulee olemaan läsnä [lasitettua jätettä sisältävien] kapseleiden takia. Luonnollisissa analogisissa paikoissa se on läsnä, koska lasi on suuren osan ajasta maaperässä tai kuonan tapauksessa rautapitoisen materiaalin ympäröimänä. Huoli on, että lasista tai ympäristöstä huuhtoutuvat positiiviset rauta-ionit poistavat negatiivisesti varautuneita silikaatteja lasin pintageelikerroksesta. Tämä saostaisi rautasilikaattimineraaleja, mikä mahdollisesti häiritsisi passifikaatiokerroksen ja laukaisi nopeuden uudelleen käynnistymisen. Tämä vaikutus on havaittu useissa laboratoriotutkimuksissa (Environ. Sei. Tekn. 47 750), mutta Thorpe haluaa nähdä sen tapahtuvan kentällä alhaisissa lämpötiloissa, koska termodynamiikka eroaa hyvin paljon nopeutetusta testauksesta. Toistaiseksi heillä ei ole todisteita siitä, että tämä tapahtuisi lasitetun ydinjätteen kanssa, ja he ovat varmoja, että nämä lasit ovat erittäin kestäviä joko raudalla tai ilman sitä. Mutta silti on tärkeää ymmärtää prosesseja, jotka voivat vaikuttaa korroosion esiintymisnopeuteen.

Biologinen haaste

Analoginen lasi, jota Pearce ja kollegansa ovat tutkineet, on peräisin Broborgin esiviikinkilinnoituksesta Ruotsista, joka oli miehitetty noin 1500 vuotta sitten. Se sisältää lasitettuja seiniä, jotka Pearce uskoo tarkoituksellisesti rakennetuiksi sen sijaan, että ne olisivat seurausta paikan vahingossa tai väkivaltaisesta tuhoamisesta. Graniittiseiniä vahvistettiin sulattamalla amfiboliittikiviä, jotka sisältävät suurelta osin silikaattimineraaleja, jolloin muodostui lasitettu laasti graniittilohkareita ympäröiväksi. "Tiedämme tarkalleen, mitä lasille on tapahtunut sen lämpötilojen ja sateiden määrän suhteen, Ruotsissa 1500 vuoden ajalta peräisin olevien tietojen perusteella", Pearce sanoo.

Tutkijat käyttivät elektronimikroskopiaa Broborgin lasin tutkimiseen, ja he olivat yllättyneitä siitä, että pinta oli alttiina ympäristölle bakteerien, sienten ja jäkälän peitossa. Pearcen tiimi yrittää nyt ymmärtää tällaisen biologisen aktiivisuuden vaikutuksia lasin vakauteen. Sivusto sisältää useita erilaisia ​​​​lasikoostumuksia, ja he havaitsivat, että näytteet, joissa oli enemmän rautaa, osoittivat enemmän todisteita mikrobien kolonisaatiosta (mahdollisesti johtuen suuremmasta määrästä organismeja, jotka pystyvät metaboloimaan rautaa) ja enemmän todisteita fyysisistä vaurioista, kuten pistemäistä.

Vaikka näyttää siltä, ​​​​että tietyt organismit voivat viihtyä näissä ankarissa olosuhteissa ja voivat jopa poimia materiaalista elementtejä, Pearce selittää, että on myös mahdollista, että biokalvo muodostaa suojakerroksen. – Bakteerit elävät mielellään suhteellisen muuttumattomissa olosuhteissa, sillä kaikki elävät organismit ovat mukana homeostaasissa, joten ne yrittävät säädellä pH:ta ja vesipitoisuutta ympärillään. Hänen tiiminsä yrittää nyt selvittää, mikä rooli biofilmillä on ja miten se liittyy lasin koostumukseen (npj Materiaalien hajoaminen 5 61).

Keskeisin ongelma niille, jotka haluavat luoda vakaimpia ydinjätelaseja, on pitkäikäisyys. Mutta arkeologisilla konservaattoreilla, jotka yrittävät stabiloida pilaantunutta lasia, heillä on kiireellisempi haaste, joka on poistaa kosteus ja estää lasin halkeilu ja särkyminen. Arkeologinen lasi voidaan tiivistää akryylihartsilla, joka levitetään irisoivan korroosiokerroksen päälle. "Se on itse asiassa [osa] lasia, joten se tulisi suojata", Çamurcuoğlu sanoo.

Huolimatta siitä, kuinka kauan olemme käyttäneet lasia, on vielä pitkä matka sen ymmärtämiseen, kuinka sen rakenne ja koostumus vaikuttavat sen vakauteen. ”Minua ihmetyttää, että emme vieläkään pysty arvaamaan lasin sulamislämpötilaa sen koostumuksesta täysin tarkasti. Hyvin pienillä määrillä lisäelementtejä voi olla valtavia vaikutuksia – se on todellakin vähän synkkää taidetta”, Thorpe pohtii.

Hänen työnsä Sheffieldissä jatkuu, ja hänelle on siirtynyt hankkeita, jotka ovat olleet käynnissä yli 50 vuotta. Esimerkiksi Ballidon Quarry Derbyshiressä, Iso-Britanniassa, isännöi yhtä maailman pisimpään käynnissä olevista "lasihautaus"-kokeista. Tavoitteena on testata arkeologisten lasien hajoamista sellaisissa emäksisissä olosuhteissa, joita lasitettu ydinjäte kokee sementin päällystetyn jätteen ohella (J. Glass Stud. 14 149). Kokeen on tarkoitus kestää 500 vuotta. Nähtäväksi jää, kestääkö yliopisto itse niin kauan, mutta mitä tulee ydinjätteeseen, jolta he työskentelevät suojellakseen meitä, se varmasti kestää.

Viesti Lasimainen ratkaisu ydinjätteeseen ilmestyi ensin Fysiikan maailma.

• Coinsmart. Euroopan paras Bitcoin- ja kryptopörssi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. VAPAA PÄÄSY.
• CryptoHawk. Altcoinin tutka. Ilmainen kokeilu.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/a-glassy-solution-to-nuclear-waste/