Üveges megoldás a nukleáris hulladékra

Tutanhamon fáraó arany halotti maszkja a világ egyik leghíresebb történelmi tárgya. A fiatal király ragyogó arcképe Kr.e. 1325 körüli időkből származik, és kék csíkokat tartalmaz, amelyeket néha lapis lazulinak neveznek. A feltűnő díszítés azonban ahelyett, hogy az ókori Egyiptomban kedvelt féldrágakő lenne, valójában színes üveg.

Az áhított és nagyra becsült, jogdíjra érdemes anyag, az üveg egykoron a drágakövekkel egyenrangú volt, az ősi üveg példái még Tutanhamonnál is régebbre nyúlnak vissza. A régészek és tudósok által feltárt és elemzett minták valóban lehetővé tették annak jobb megértését, hogyan és hol kezdődött az üveggyártás. De meglepő módon az ősi üveget a tudósok egy másik csoportja is tanulmányozza – azok, akik a nukleáris hulladék biztonságos tárolásának módját találják.

Jövőre az Egyesült Államok elkezdi üvegesíteni a jelenleg 177 földalatti tárolótartályban található nukleáris hulladékának egy részét. Hanford webhely, egy Washington államban leállított létesítmény, amely a második világháború és a hidegháború idején nukleáris fegyverekhez való plutóniumot állított elő. De a nukleáris hulladék üveggé alakításának vagy üvegesítésének ötlete már az 1970-es években kidolgozott, hogy a radioaktív elemeket elzárják, és megakadályozzák azok kiszivárgását.

A nukleáris hulladékot radioaktivitásuktól függően általában alacsony, közepes vagy magas aktivitású kategóriába sorolják. Míg egyes országokban az alacsony és közepes aktivitású hulladékot üvegesítik, addig a módszert leginkább a nagy aktivitású folyékony hulladék rögzítésére használják, amely hasadási termékeket és hosszú felezési idejű transzurán elemeket tartalmaz, amelyek a reaktormagban keletkeznek. Az ilyen típusú hulladék aktív hűtést és árnyékolást igényel, mivel elég radioaktív ahhoz, hogy önmagát és környezetét is jelentősen felmelegítse.

A vitrifikációs folyamat előtt a folyékony hulladékot megszárítják (vagy kalcinálják), hogy por keletkezzen. Ezt aztán hatalmas kohókban olvadt üvegbe építik, és rozsdamentes acél tartályokba öntik. Miután a keverék lehűlt és szilárd üveggé formálódott, a tartályokat összehegesztik, és készen állnak a tárolásra, amely manapság mélyen földalatti létesítményekben történik. De az üveg nem csak akadályt jelent, szerint Clare Thorpe, a kutató munkatársa Sheffieldi Egyetem, Egyesült Királyság, aki az üvegesített nukleáris hulladék tartósságát tanulmányozza. „Ez jobb annál. A hulladék az üveg részévé válik.”

Az üveg nem csak akadályt jelent. Annál jobb. A hulladék az üveg részévé válik

Clare Thorpe, Sheffieldi Egyetem, Egyesült Királyság

Azonban mindig is voltak kérdőjelek ezeknek a szemüvegeknek a hosszú távú stabilitását illetően. Más szavakkal, honnan tudhatjuk, hogy ezek az anyagok több ezer éven keresztül mozdulatlanok maradnak-e? E kérdések jobb megértése érdekében a nukleáris hulladékkal foglalkozó kutatók régészekkel, múzeumi kurátorokkal és geológusokkal együttműködve olyan üveganalógokat azonosítanak, amelyek segíthetnek megérteni, hogyan változik az üvegesített nukleáris hulladék idővel.

Hozzávaló édes folt

A legstabilabb üvegek tiszta szilícium-dioxidból (SiO₂), hanem különféle adalékanyagokat – például nátrium-karbonátot (Na₂CO₃), bór-trioxid (B₂O₃) és alumínium-oxid (Al₂O₃) – gyakran beépítik az üveg tulajdonságainak, például a viszkozitás és az olvadáspont megváltoztatására. Például boroszilikát üveg (amely B₂O₃) nagyon alacsony hőtágulási együtthatóval rendelkezik, ezért nem reped meg szélsőséges hőmérsékleten. „Az Egyesült Királyság és más országok, beleértve az Egyesült Államokat és Franciaországot is, úgy döntöttek, hogy a hulladékot boroszilikát üvegben üvegesítik, mielőtt azok tárolásra kerülnek” – magyarázza Thorpe.

Ha olyan elemeket tartalmaznak, mint például adalékanyagokból vagy nukleáris hulladékból származók, akkor ezek az üvegszerkezet részévé válnak akár hálózatképzőként, akár módosítóként (1. ábra). A hálózatképző ionok a szilícium helyettesítőjeként működnek, és szerves részévé válnak az erősen térhálósított kémiailag kötött hálózatnak (például a bór és az alumínium teszi ezt). Eközben a módosítók megszakítják az oxigén és az üvegképző elemek közötti kötéseket azáltal, hogy lazán kötődnek az oxigénatomokhoz, és „nem áthidaló” oxigént okoznak (a nátrium, kálium és kalcium így beépül). Ez utóbbiak gyengébb általános kötést okoznak az anyagban, ami csökkentheti az üveg olvadáspontját, felületi feszültségét és viszkozitását.

„Van egy bizonyos édes hely, ahol megfelelő mennyiségű [hulladék adalékanyagot] kapunk ahhoz, hogy nagyon tartós üveget kapjunk” – magyarázza. Carolyn Pearce tól Csendes-óceán északnyugati nemzeti laboratóriuma az Egyesült Államokban, aki a radionuklidok stabilitásának kinetikáját tanulmányozza hulladékformákban. „Ha túl sokat adunk hozzá, elkezdjük nyomni a rendszert, hogy kristályos fázisokat képezzenek, ami problémás, mert akkor többfázisú üvegünk van, ami nem olyan tartós, mint egy homogén egyfázisú üveg.”

Pearce szerint a hanfordi hulladék „gyakorlatilag minden elemet tartalmaz a periódusos rendszerben valamilyen formában”, és folyadékként, iszapként vagy sólepényként tárolják, ami megnehezíti a legstabilabb üvegösszetétel előrejelzését. „Sok modellezéssel kell megtervezni a hozzáadandó üvegformázó elemeket. Le fogják jellemezni, hogy mi van a tárolótartályban, ami a létesítményben való indulásra vár, majd megtervezik az üveg összetételét e kémia alapján.”

A nukleáris hulladékok üvegezésének alkalmazását támogatja az évezredek óta létező természetes üvegek stabilitása, mint például a magmás üveg, a fulguritok (más néven „megkövesedett villám”) és a meteoritokban lévő üveg. "Elméletileg a radioaktív elemeknek ugyanolyan sebességgel kellene felszabadulniuk, ahogyan maga az üveg feloldódik, és tudjuk, hogy az üveg rendkívül tartós, mert láthatjuk, hogy a több millió évvel ezelőtt készült vulkáni üvegek még ma is ott vannak" - mondja Thorpe. De nem könnyű bizonyítani, hogy az üvegesített hulladék túléli a radioaktív hulladék teljes lebomlásához szükséges 60,000 129-től több millió évig – a jód-15 felezési ideje például több mint XNUMX millió év.

Amikor az üveg vízzel vagy vízgőzzel érintkezik, nagyon lassan kezd el romlani. Először az alkálifémek (nátrium vagy kálium) kimosódnak. Az üveghálók ekkor elkezdenek lebomlani, és szilikátok szabadulnak fel (borátüveg esetén borátok is), amelyek ezt követően amorf gélréteget képeznek az üvegfelületen. Ez idővel sűrűsödik, létrehozva egy külső „passzivációs” réteget, amely másodlagos kristályos fázisokat is tartalmazhat – olyan vegyületeket, amelyek az ömlesztett üvegből felszabaduló anyag felületi átkristályosításából keletkeznek. Ezen a ponton a további korróziót korlátozza az elemek azon képessége, hogy átvándoroljanak ezen a bevonaton.

De ha a körülmények megváltoznak, vagy bizonyos ásványfajták jelen vannak, a passzivációs réteg is lebomolhat. "A tanulmányok rávilágítottak olyan aggodalomra, amelyek szerepet játszhatnak az úgynevezett sebesség-újrafutásban, ahol a másodlagos ásványi csapadékok egy része – különösen a vas- és magnéziumzeolitok – szerepet játszanak az üveg felgyorsulásának sebességében" – magyarázza Thorpe (ábra). 2).

Az egyik módszer, amelyet Thorpe és Pearce e mechanizmusok megértésére használ, az újonnan képződött üveg gyorsított tesztelése. "A laboratóriumban a reakció felgyorsítása érdekében [lelapítjuk] az üveget, hogy növeljük a felületet, és növeljük a hőmérsékletet, általában 90 °C-ig" - mondja Thorpe. „Ez igazán hatékony a szemüvegek rangsorolásához – mondván, hogy ez tartósabb, mint ez –, de nem nagyszerű a tényleges oldódási sebesség meghatározásához egy összetett természeti környezetben.”

Ehelyett a kutatók a már létező analóg szemüvegekhez fordultak. „A boroszilikát üvegek csak körülbelül 100 éve léteznek. Van néhány adatunk arról, hogy hogyan viselkednek hosszú távon, de semmi sem nyúlna olyan időbe, amelyre a radioaktív hulladékok tárolására van szükség” – mondja Thorpe. A természetes üvegek nem mindig megfelelő összehasonlítás, mivel általában alacsony lúgos elemeket tartalmaznak, amelyek általában megtalálhatók a nukleáris hulladék üvegeiben, és befolyásolják azok tulajdonságait – így a másik lehetőség a régészeti üveg volt. Bár összetételük nem azonos a hulladéküveggel, sokféle elemet tartalmaznak. „Csak ezeknek a különböző kémiáknak a birtoklása lehetővé teszi számunkra, hogy megvizsgáljuk, milyen szerepet játszik ez a változásban” – mondja Pearce.

Üveg a múltból

Mielőtt felfedezték volna, hogyan lehet üveget készíteni, az emberek a természetes üveget használták annak erőssége és szépsége miatt. Ilyen például a melltű, amelyet Tutanhamon sírjában találtak. A múmia mellkasára helyezve egy halványsárga natúr üvegdarabot tartalmaz, amelyet legalább 3300 évvel ezelőtt szkarabeusz bogárrá formáztak. Az üveg a líbiai sivatagból származott, a legújabb kutatások szerint a keletkezését egy 29 millió évvel ezelőtti meteorit becsapódásnak tulajdonítják. A tudósok az üvegben található cirkónium-szilikát kristályok miatt jutottak erre a következtetésre, amelyek a nagy nyomáson képződő reidit ásványból származnak.Geológia 47 609).

„A legkorábbi, rendszeres üveggyártás i.e. 1600 körül van” – mondja Andrew Shortland, régészeti tudós at Cranfield Egyetem az Egyesült Királyságban. „A leglátványosabb üvegtárgy kétségtelenül Tutanhamon halotti maszkja a kairói [múzeum] katalógusában.”

Az elmúlt évszázad során a régészek nem értenek egyet azzal kapcsolatban, hogy hol gyártották először az üveget nagy léptékben, és Észak-Szíria és Egyiptom volt a fő jelölt. „Azt mondanám, hogy jelenleg túl közel van a híváshoz” – mondja Shortland. A kiásott üvegek nátron-mész-szilikát üvegek – nem különböznek túlságosan az ablakainkban használt üvegektől. Ezeket szilikát ásványokból állították elő, szódát (Na₂CO₃), amely az olvadáspontot egy elérhető olvadási hőmérsékletre csökkenti, és a mész (CaCO₃), hogy az üveg keményebb és vegyileg tartósabb legyen. „A szilícium-dioxid ezekben a korai poharakban zúzott kvarcból származik, amelyet azért használtak, mert nagyon tiszta, nagyon alacsony a vas-, titán- és egyéb, az üveget színező anyag tartalma.”

Az üvegkorrózió problémája ismerős a régészek számára, akiknek célja az üveg stabilizálása a frissen feltárt vagy múzeumi tárolás során. „Nyilvánvalóan a nedvesség a legrosszabb az üveg esetében” – mondja Duygu Çamurcuoğlu, senior tárgyak conservator at the British Museum Londonban. "Ha nem vigyáznak rá jól, a nedvesség megtámadja és feloldja az üveget." Çamurcuoğlu elmagyarázza, hogy a gyönyörű, irizáló felületű régészeti üvegkiállítás gyakran közel 90%-ban szilikátból áll, mivel más ionokat, különösen az alkáliionokat, a korrózió eltávolítja.

Régészeti analógok

A régészeti üvegek üvegezett nukleáris hulladék analógjaként való használatának kulcsa az objektumok által tapasztalt környezeti feltételek megfelelő ismerete. Az a baj, hogy minél idősebb az üveg, ez egyre keményebb lesz. „Valami 200 éves valóban hasznosabb lehet – magyarázza Thorpe –, mert pontosan fel tudjuk jegyezni a teljes éghajlati rekordokat.” A régészeti minták üvegesített hulladékkal való összehasonlításával Thorpe és munkatársai igazolni tudják a gyorsított, magas hőmérsékleten végzett tesztelésük során tapasztalt mechanizmusokat, így megerősítik, hogy hasonló folyamatok és ásványok képződnek-e bennük vagy sem, és hogy nincs-e semmi, amit csináltak volna. figyelmen kívül hagyva.

Shortland tapasztalatai szerint a pontos helyi környezeti feltételek nagyban befolyásolhatják az üveg túlélési idejét. Emlékszik, hogy pásztázó elektronmikroszkóppal elemezte az üveget a késő bronzkori Nuzi városból, az iraki Kirkuk közelében, amelyet eredetileg az 1930-as években ástak fel. „Észrevettük, hogy az üvegek egy része tökéletesen megőrzött, gyönyörű színű és robusztus volt, míg más részei elhasználódtak és teljesen eltűntek.” Elmagyarázza azonban, hogy a mintákat gyakran ugyanazokban a házakban találták meg a közeli szobákban. "Mikrokörnyezetekkel foglalkoztunk." A nedvesség mennyiségének kisebb különbsége 3000 év alatt nagyon eltérő időjárási mintákat hozott létre, amint azt megállapították (Archeometria 60 764).

Természetesen a Nuziban vagy másutt talált üvegtárgyak túl értékesek ahhoz, hogy nukleáris hulladékkal foglalkozó tudósoknak adják őket tesztelésre, de sok kevésbé ritka régészeti üvegdarab is elérhető. Thorpe számos jól jellemzett régészeti lelőhelyet keres, ahol az anyagok hasznos analógokat szolgáltathatnak, mint például a salak – a vaskohászat során keletkező szilikát-üveg hulladék. Salaktömböket építettek be a falba a Black Bridge öntödében, amely az Egyesült Királyság cornwalli Hayle városában található, és amelyet 1811 körül építettek.Chem. Geol. 413 28). „Eléggé hasonlóak néhány plutóniummal szennyezett anyaghoz, amikor üvegesítik őket” – magyarázza. "Biztos lehetsz benne, hogy 250 éve ki voltak téve a levegőnek vagy a torkolatnak, amelyben ülnek." Megvizsgálta a 265 éves üvegtuskákat is Albion hajótörés az egyesült királyságbeli Margate partjainál, ahol 200 évre visszamenőleg átfogó feljegyzések állnak rendelkezésre a víz hőmérsékletéről és sótartalmáról.

Thorpe és mások is fontolgatták a fémek üvegstabilitásra gyakorolt ​​hatását. „Nagyon érdekel minket a vas szerepe, mivel a [üvegesített hulladékot tároló] kannák miatt jelen lesz. A természetes analóg helyeken azért van jelen, mert az üveg sokszor talajban van, vagy a salakok esetében vasban gazdag anyag veszi körül.” Aggodalomra ad okot, hogy az üvegből vagy a környezetből kimosódó pozitív vasionok kivonják a negatív töltésű szilikátokat az üveg felületi gélrétegéből. Ez kicsapja a vas-szilikát ásványokat, ami potenciálisan megzavarná a passzifikációs réteget, és kiválthatja a sebesség újraindulását. Ezt a hatást számos laboratóriumi vizsgálatban észlelték (Környék. Sci. Technol. 47 750), de Thorpe azt akarja, hogy ez a terepen, alacsony hőmérsékleten is megtörténjen, mivel a termodinamika nagyon különbözik a gyorsított teszteléstől. Egyelőre nincs bizonyítékuk arra, hogy ez az üvegesített nukleáris hulladékkal történik, és biztosak abban, hogy vas jelenlétében vagy anélkül ezek az üvegek rendkívül tartósak. De továbbra is fontos megérteni azokat a folyamatokat, amelyek befolyásolhatják a korrózió sebességét.

Biológiai kihívás

Egy analóg üveg, amelyet Pearce és munkatársai tanulmányoztak, a svédországi broborgi pre-viking dombból származik, amelyet körülbelül 1500 évvel ezelőtt foglaltak el. Üveges falakat tartalmaz, amelyek Pearce szerint szándékosan épültek, nem pedig a helyszín véletlen vagy erőszakos megsemmisítésének eredménye. A gránitfalakat nagyrészt szilikát ásványokat tartalmazó amfibolit kőzetek olvasztásával erősítették meg, hogy üveges habarcsot képezzenek a gránitsziklák körül. „Pontosan tudjuk, hogy mi történt az üveggel a hőmérsékletet és a csapadék mennyiségét illetően, az 1500 évre visszanyúló svédországi feljegyzésekből” – mondja Pearce.

A kutatók elektronmikroszkóppal vizsgálták a Broborg üveget, és meglepődve tapasztalták, hogy a környezetnek kitett felületet baktériumok, gombák és zuzmók borítják. Pearce csapata most megpróbálja megérteni, hogy az ilyen biológiai aktivitás milyen hatással van az üveg stabilitására. A helyszín több különböző üvegösszetételt tartalmaz, és azt találták, hogy a több vasat tartalmazó minták több bizonyítékot mutattak a mikrobiális kolonizációra (valószínűleg a vasanyagcserére képes élőlények nagyobb száma miatt), és több bizonyítékot mutattak fizikai károsodásra, például gödrösödésre.

Noha úgy tűnik, hogy bizonyos organizmusok képesek boldogulni ilyen zord körülmények között, és akár ki is vonhatnak elemeket az anyagból, Pearce elmagyarázza, hogy az is lehetséges, hogy egy biofilm védőréteget képez. "A baktériumok szeretnek viszonylag változatlan körülmények között élni, mivel minden élő szervezet részt vesz a homeosztázisban, így próbálják szabályozni a pH-t és a víztartalmat maguk körül." Csapata most azt próbálja meghatározni, hogy milyen szerepet játszik a biofilm, és ez hogyan kapcsolódik az üveg összetételéhez (npj Anyagok lebomlása 5 61).

A legfontosabb probléma, amellyel azok szembesülnek, akik a legstabilabb nukleáris hulladékból készült üvegeket szeretnék létrehozni, a hosszú élettartam. A romló üveg stabilizálására törekvő régészeti konzervátorok számára azonban sürgősebb kihívást jelent, hogy távolítsák el a nedvességet, és ezáltal megakadályozzák az üveg megrepedését és összetörését. A régészeti üveget az irizáló korróziós réteg tetejére felhordva akrilgyantával lehet megszilárdítani. „Valójában magának az üvegnek [része], ezért védeni kell” – mondja Çamurcuoğlu.

Annak ellenére, hogy mióta használjuk az üveget, még mindig hosszú utat kell megtenni annak megértéséhez, hogy szerkezete és összetétele hogyan befolyásolja stabilitását. „Elképesztő, hogy az összetételéből még mindig nem tudjuk teljesen pontosan kitalálni egy pohár olvadáspontját. Nagyon kis mennyiségű kiegészítő elem óriási hatást fejthet ki – ez tényleg egy kicsit sötét művészet” – elmélkedik Thorpe.

A sheffieldi munkája folytatódni fog, néhány projektet átadtak neki, amelyek több mint 50 éve futnak. A derbyshire-i (Egyesült Királyság) Ballidon kőbánya például a világ egyik legrégebben futó „üvegtemetési” kísérletének ad otthont. A cél a régészeti üvegek lebomlásának tesztelése olyan lúgos körülmények között, mint az üvegesített nukleáris hulladék, valamint a cementbe burkolt hulladék (J. Glass Stud. 14 149). A kísérletet 500 évig tervezik. Hogy maga az egyetem kitart-e ennyi ideig, az majd kiderül, de ami a nukleáris hulladékot illeti, amitől megvédenek bennünket, az biztosan megmarad.

A poszt Üveges megoldás a nukleáris hulladékra jelent meg először Fizika Világa.

• Coinsmart. Európa legjobb Bitcoin- és kriptográfiai tőzsdéje.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. SZABAD HOZZÁFÉRÉS.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Ingyenes próbaverzió.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/a-glassy-solution-to-nuclear-waste/