Solusi kaca untuk limbah nuklir

Topeng kematian emas firaun Tutankhamun adalah salah satu artefak sejarah paling terkenal di dunia. Wajah raja muda yang bersinar itu berasal dari sekitar tahun 1325 SM dan menampilkan garis-garis biru yang kadang-kadang digambarkan sebagai lapis lazuli. Namun alih-alih menjadi batu semi mulia yang disukai di Mesir kuno, dekorasi yang mencolok sebenarnya adalah kaca berwarna.

Sebuah bahan yang didambakan dan sangat berharga dianggap layak royalti, kaca pernah dilihat setara dengan batu permata, dengan contoh kaca kuno akan kembali lebih jauh dari Tutankhamun. Memang, sampel yang digali dan dianalisis oleh para arkeolog dan ilmuwan telah memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana dan di mana produksi kaca dimulai. Namun yang mengejutkan, kaca kuno juga sedang dipelajari oleh kelompok ilmuwan lain – mereka yang menemukan cara aman untuk menyimpan limbah nuklir.

Tahun depan AS akan mulai melakukan vitrifikasi bagian dari limbah nuklir warisannya yang saat ini disimpan di 177 tangki penyimpanan bawah tanah di Situs Hanford, fasilitas yang dinonaktifkan di negara bagian Washington yang memproduksi plutonium untuk senjata nuklir selama Perang Dunia Kedua dan Perang Dingin. Tetapi gagasan untuk mengubah limbah nuklir menjadi kaca, atau memurnikannya, telah dikembangkan sejak tahun 1970-an, sebagai cara untuk menjaga agar unsur-unsur radioaktif tetap terkunci dan mencegahnya bocor.

Limbah nuklir biasanya diklasifikasikan sebagai tingkat rendah, menengah atau tinggi, tergantung pada radioaktivitasnya. Sementara beberapa negara melakukan vitrifikasi limbah tingkat rendah dan menengah, metode ini sebagian besar digunakan untuk melumpuhkan limbah cair tingkat tinggi, yang mengandung produk fisi dan elemen transuranik dengan waktu paruh panjang yang dihasilkan dalam teras reaktor. Jenis limbah ini membutuhkan pendinginan dan pelindung aktif karena cukup radioaktif untuk secara signifikan memanaskan dirinya sendiri dan sekitarnya.

Sebelum proses vitrifikasi, limbah cair dikeringkan (atau dikalsinasi) hingga menjadi bubuk. Ini kemudian dimasukkan ke dalam gelas cair di peleburan besar dan dituangkan ke dalam tabung baja tahan karat. Setelah campuran mendingin dan membentuk kaca padat, wadah dilas tertutup dan disiapkan untuk penyimpanan, yang saat ini dilakukan di fasilitas bawah tanah yang dalam. Tapi kaca tidak hanya memberikan penghalang, menurut Clare Thorpe, seorang peneliti di University of Sheffield, Inggris, yang sedang mempelajari daya tahan limbah nuklir vitrifikasi. “Ini lebih baik dari itu. Sampah menjadi bagian dari kaca.”

Kaca tidak hanya memberikan penghalang. Ini lebih baik dari itu. Sampah menjadi bagian dari gelas

Clare Thorpe, Universitas Sheffield, Inggris

Namun, selalu ada tanda tanya atas stabilitas jangka panjang dari kacamata ini. Dengan kata lain, bagaimana kita dapat mengetahui apakah bahan-bahan ini akan tetap tidak dapat bergerak selama ribuan tahun? Untuk lebih memahami pertanyaan-pertanyaan ini, para peneliti limbah nuklir bekerja sama dengan para arkeolog, kurator museum, dan ahli geologi untuk mengidentifikasi analog kaca yang dapat membantu kita memahami bagaimana limbah nuklir yang mengalami vitrifikasi akan berubah seiring waktu.

Bahan sweet spot

Kacamata paling stabil terbuat dari silikon dioksida murni (SiO₂), tetapi berbagai aditif – seperti natrium karbonat (Na₂CO₃), boron trioksida (B₂O₃) dan aluminium oksida (Al₂O₃) – sering digabungkan untuk mengubah sifat kaca, seperti viskositas dan titik leleh. Misalnya, kaca borosilikat (mengandung B₂O₃) memiliki koefisien ekspansi termal yang sangat rendah, sehingga tidak retak di bawah suhu ekstrim. “Inggris Raya dan negara-negara lain, termasuk AS dan Prancis, telah memilih untuk memvitrifikasi limbah mereka dalam gelas borosilikat sebelum disimpan,” jelas Thorpe.

Ketika elemen-elemen seperti aditif atau limbah nuklir dimasukkan, mereka menjadi bagian dari struktur kaca baik sebagai pembentuk atau pengubah jaringan (gambar 1). Ion pembentuk jaringan bertindak sebagai pengganti silikon, menjadi bagian integral dari jaringan ikatan kimia yang sangat terikat silang (misalnya boron dan aluminium). Sementara itu, pengubah mengganggu ikatan antara oksigen dan elemen pembentuk kaca dengan mengikat secara longgar dengan atom oksigen dan menyebabkan oksigen "tidak menjembatani" (natrium, kalium, dan kalsium digabungkan dengan cara ini). Yang terakhir menyebabkan ikatan keseluruhan yang lebih lemah dalam material, yang dapat mengurangi titik leleh, tegangan permukaan dan viskositas kaca secara keseluruhan.

“Ada titik manis tertentu di mana Anda mendapatkan jumlah [tambahan limbah] yang tepat untuk membentuk kaca yang sangat tahan lama,” jelas Carolyn Pearce dari Pacific Northwest National Laboratory di AS, yang mempelajari kinetika stabilitas radionuklida dalam bentuk limbah. "Jika Anda menambahkan terlalu banyak, Anda mulai mendorong sistem untuk membentuk fase kristal, yang bermasalah, karena Anda memiliki kaca multi-fase, yang tidak tahan lama seperti kaca fase tunggal yang homogen."

Pearce mengatakan limbah di Hanford mengandung "hampir setiap elemen dalam tabel periodik dalam beberapa bentuk atau lainnya" dan disimpan sebagai cairan, lumpur atau kue garam, yang membuatnya lebih sulit untuk memprediksi komposisi kaca yang paling stabil. “Ada banyak modeling yang digunakan untuk mendesain elemen pembentuk kaca yang akan ditambahkan. Mereka akan mengkarakterisasi apa yang ada di tangki pementasan yang menunggu untuk masuk ke fasilitas, dan kemudian merancang komposisi kaca berdasarkan bahan kimia itu. ”

Penggunaan vitrifikasi untuk limbah nuklir didukung oleh stabilitas kaca alami yang telah ada selama ribuan tahun, seperti kaca beku, fulgurit (juga dikenal sebagai "petir fosil") dan kaca dalam meteorit. “Secara teori, unsur radioaktif harus dilepaskan pada kecepatan yang sama dengan kaca itu sendiri larut, dan kita tahu bahwa kaca sangat tahan lama, karena kita dapat melihat kaca vulkanik yang dibuat jutaan tahun lalu masih ada hingga sekarang,” kata Thorpe. Tetapi tidak mudah untuk membuktikan bahwa limbah vitrifikasi akan bertahan selama 60,000 hingga jutaan tahun yang diperlukan agar limbah radioaktif meluruh sepenuhnya – yodium-129, misalnya, memiliki waktu paruh lebih dari 15 juta tahun.

Ketika kaca bersentuhan dengan air atau uap air, kaca mulai rusak dengan sangat lambat. Pertama, logam alkali (natrium atau kalium) larut. Jaringan kaca kemudian mulai rusak, melepaskan silikat (dan juga borat dalam kasus kaca borosilikat) yang kemudian membentuk lapisan gel amorf pada permukaan kaca. Ini menjadi padat dari waktu ke waktu, menciptakan lapisan "pasif" luar yang juga dapat mengandung fase kristalisasi sekunder – senyawa yang terbentuk dari rekristalisasi permukaan material yang telah dilepaskan dari kaca curah. Pada titik ini, korosi lebih lanjut dibatasi oleh kemampuan elemen untuk bermigrasi melalui lapisan ini.

Tetapi jika kondisi berubah, atau ada spesies mineral tertentu, lapisan pasivasi juga dapat rusak. “Penelitian telah menyoroti elemen yang menjadi perhatian yang dapat terlibat dalam sesuatu yang disebut dengan laju kembalinya, di mana beberapa endapan mineral sekunder – terutama besi dan magnesium zeolit ​​– telah terlibat dalam laju pembubaran kaca yang semakin cepat,” jelas Thorpe. 2).

Salah satu metode yang digunakan Thorpe dan Pearce untuk memahami mekanisme ini adalah mempercepat pengujian kaca yang baru terbentuk. “Di laboratorium, untuk mempercepat reaksi kami [meratakan] kaca untuk meningkatkan luas permukaan, dan kami meningkatkan suhu, biasanya hingga 90 °C,” kata Thorpe. "Ini benar-benar efektif untuk menentukan peringkat kacamata - mengatakan yang ini lebih tahan lama daripada yang ini - tetapi tidak bagus untuk menentukan tingkat disolusi aktual di lingkungan alami yang kompleks."

Sebaliknya, para peneliti telah beralih ke kacamata analog yang sudah ada. “Kacamata borosilikat baru ada sekitar 100 tahun. Kami memiliki beberapa data tentang bagaimana mereka berperilaku dalam jangka panjang, tetapi tidak ada rentang waktu yang kami perlukan untuk memikirkan penyimpanan limbah radioaktif, ”kata Thorpe. Kacamata alami tidak selalu cocok sebagai perbandingan karena cenderung rendah unsur alkali, yang umumnya ditemukan dalam gelas limbah nuklir dan akan mempengaruhi sifat mereka – jadi pilihan lainnya adalah gelas arkeologi. Meskipun komposisinya tidak identik dengan limbah kaca, mereka mengandung berbagai elemen. “Hanya memiliki kimia yang berbeda ini benar-benar memungkinkan kita untuk melihat peran yang dimainkannya dalam hal perubahan,” kata Pearce.

Kaca dari masa lalu

Sebelum menemukan cara membuat kaca, manusia menggunakan kaca alami baik untuk kekuatan maupun keindahannya. Salah satu contohnya adalah dada, atau bros, yang ditemukan di makam Tutankhamun. Ditempatkan di dada mumi, itu berisi sepotong kaca alami berwarna kuning pucat yang dibentuk menjadi kumbang scarab setidaknya 3300 tahun yang lalu. Kaca itu berasal dari gurun Libya, dengan penelitian terbaru menghubungkan pembentukannya dengan dampak meteorit 29 juta tahun yang lalu. Para ilmuwan mencapai kesimpulan ini karena adanya kristal zirkonium silikat di dalam kaca, yang berasal dari mineral reidite yang terbentuk pada tekanan tinggi (Geologi 47 609).

“Produksi kaca paling awal secara teratur adalah sekitar 1600 SM,” kata Andrew Shortland, seorang ilmuwan arkeologi di Cranfield University di Inggris. “Benda kaca yang paling spektakuler, tanpa diragukan lagi, adalah topeng kematian Tutankhamun di katalog [Museum] Kairo.”

Selama abad terakhir, para arkeolog tidak sepakat mengenai di mana kaca pertama kali diproduksi dalam skala besar, dengan Suriah utara dan Mesir keduanya menjadi kandidat utama. “Saya akan mengatakan bahwa saat ini terlalu dekat untuk dipanggil,” kata Shortland. Gelas yang digali adalah gelas soda-lime silikat – tidak jauh berbeda dengan kaca yang masih kita gunakan di jendela kita. Ini diproduksi menggunakan mineral silikat dengan "fluks" yang mengandung soda (Na₂CO₃), yang menurunkan titik leleh ke suhu peleburan yang dapat dicapai, dan kapur (CaCO₃) untuk membuat kaca lebih keras dan lebih tahan lama secara kimiawi. “Silika dalam gelas-gelas awal ini berasal dari kuarsa yang dihancurkan, yang digunakan karena sangat bersih, sangat rendah zat besi, titanium, dan hal-hal lain yang mewarnai kaca.”

Masalah korosi kaca akrab bagi para ahli arkeologi yang bertujuan untuk menstabilkan kaca ketika baru digali atau disimpan di museum. "Kelembaban, jelas, adalah hal terburuk untuk kaca," kata Duygu amurcuoğlu, konservator objek senior di British Museum di London. “Jika tidak dirawat dengan baik, kelembaban akan mulai menyerang dan melarutkan kaca.” Çamurcuoğlu menjelaskan bahwa tampilan kacamata arkeologi permukaan warna-warni yang indah sering kali terbuat dari hampir 90% silikat karena ion lain, terutama ion alkali, akan dihilangkan oleh korosi.

Analogi arkeologi

Kunci untuk menggunakan kacamata arkeologi sebagai analog untuk limbah nuklir vitrifikasi adalah memiliki pengetahuan yang baik tentang kondisi lingkungan yang dialami objek tersebut. Masalahnya, semakin sulit kacanya semakin tua. “Sesuatu yang berusia 200 tahun mungkin sebenarnya lebih berguna,” jelas Thorpe, “karena kita dapat mencatat dengan tepat catatan iklim lengkap.” Dengan membandingkan sampel arkeologi dengan limbah vitrifikasi, Thorpe dan rekan dapat memvalidasi beberapa mekanisme yang mereka lihat dalam pengujian suhu tinggi yang dipercepat, sehingga mengkonfirmasi apakah mereka memiliki proses dan pembentukan mineral yang serupa atau tidak, dan tidak ada yang mereka miliki. diabaikan.

Dalam pengalaman Shortland, kondisi lingkungan lokal yang tepat dapat membuat perbedaan besar pada lamanya waktu kaca bertahan. Dia ingat menggunakan mikroskop pemindaian-elektron untuk menganalisis kaca dari kota Nuzi di Zaman Perunggu Akhir, dekat Kirkuk di Irak, yang awalnya digali pada 1930-an. “Kami memperhatikan bahwa beberapa kaca terawetkan dengan sempurna, memiliki warna yang indah, dan kuat, sementara bagian lainnya lapuk dan hilang sepenuhnya.” Namun, jelasnya, sampel tersebut sering ditemukan di rumah yang sama di kamar yang berdekatan. “Kami berurusan dengan lingkungan mikro.” Perbedaan kecil dalam jumlah kelembaban selama 3000 tahun menciptakan pola pelapukan yang sangat berbeda, seperti yang mereka temukan (Arkeometri 60 764).

Tentu saja, jenis artefak kaca yang ditemukan di Nuzi atau di tempat lain terlalu berharga untuk diberikan kepada ilmuwan limbah nuklir untuk pengujian, tetapi ada banyak potongan kaca arkeologi yang lebih langka yang tersedia. Thorpe sedang melihat beberapa situs arkeologi yang dicirikan dengan baik di mana bahan dapat memberikan analog yang berguna, seperti terak – produk limbah kaca silikat yang terbentuk selama peleburan besi. Blok terak telah dimasukkan ke dalam dinding di pengecoran Black Bridge, sebuah situs di dalam kota Hayle di Cornwall, Inggris, dibangun sekitar tahun 1811 (Kimia geol. 413 28). "Mereka cukup analog dengan beberapa bahan yang terkontaminasi plutonium ketika mereka vitrifikasi," jelasnya. “Anda dapat yakin bahwa mereka telah terpapar udara atau muara tempat mereka duduk selama 250 tahun.” Dia juga telah menyelidiki batangan kaca berusia 265 tahun dari Albion kapal karam di lepas pantai Margate, Inggris, di mana terdapat catatan lengkap tentang suhu air dan salinitas sejak 200 tahun yang lalu.

Thorpe dan lainnya juga telah mempertimbangkan dampak logam pada stabilitas kaca. “Kami sangat tertarik dengan peran besi karena akan hadir karena canister [menampung limbah vitrifikasi]. Di situs analog alami, itu hadir karena sebagian besar waktu kaca berada di tanah atau, dalam kasus terak, dikelilingi oleh bahan yang kaya zat besi. Kekhawatirannya adalah bahwa ion besi positif, yang keluar dari kaca atau sekitarnya, mengais silikat bermuatan negatif dari lapisan gel permukaan kaca. Ini akan mengendapkan mineral silikat besi, berpotensi mengganggu lapisan pasifikasi dan memicu kembalinya laju. Efek ini telah terlihat di sejumlah penelitian laboratorium (Mengepung. Sci. Technol. 47 750) tetapi Thorpe ingin melihatnya terjadi di lapangan pada suhu rendah karena termodinamika sangat berbeda dengan pengujian dipercepat. Sejauh ini, mereka tidak memiliki bukti bahwa hal ini terjadi pada limbah nuklir yang mengalami vitrifikasi dan yakin bahwa dengan atau tanpa kehadiran besi, kacamata ini sangat tahan lama. Tetapi tetap penting untuk memahami proses yang mungkin mempengaruhi laju terjadinya korosi.

Tantangan biologis

Gelas analog yang telah dipelajari Pearce dan rekan-rekannya berasal dari benteng bukit pra-Viking Broborg di Swedia, yang ditempati sekitar 1500 tahun yang lalu. Ini berisi dinding vitrifikasi yang menurut Pearce sengaja dibangun, bukan hasil dari penghancuran situs yang tidak disengaja atau kekerasan. Dinding granit diperkuat dengan melelehkan batuan amfibolit yang mengandung sebagian besar mineral silikat, untuk membentuk mortar vitrifikasi yang mengelilingi batu-batu granit. “Kami tahu persis apa yang terjadi pada kaca dalam hal suhu yang terpapar, dan jumlah curah hujan, melalui catatan di Swedia pada 1500 tahun yang lalu,” kata Pearce.

Menggunakan mikroskop elektron untuk mempelajari kaca Broborg, para peneliti terkejut menemukan permukaan yang terpapar lingkungan yang tertutup bakteri, jamur dan lumut. Tim Pearce sekarang mencoba memahami implikasi dari aktivitas biologis tersebut pada stabilitas kaca. Situs tersebut berisi beberapa komposisi kaca yang berbeda dan mereka menemukan bahwa sampel dengan lebih banyak besi menunjukkan lebih banyak bukti kolonisasi mikroba (mungkin karena lebih banyak organisme yang mampu memetabolisme besi) dan lebih banyak bukti kerusakan fisik seperti lubang.

Meskipun tampaknya organisme tertentu dapat berkembang dalam kondisi yang keras ini, dan bahkan dapat mengekstraksi unsur-unsur dari material, Pearce menjelaskan bahwa ada kemungkinan juga bahwa biofilm menyediakan lapisan pelindung. “Bakteri suka hidup dalam kondisi yang relatif tidak berubah, karena semua organisme hidup terlibat dalam homeostasis, dan karenanya mereka mencoba mengatur pH dan kandungan air di sekitar mereka.” Timnya sekarang mencoba menentukan peran apa yang dimainkan biofilm dan bagaimana kaitannya dengan komposisi kaca (Degradasi Bahan npj 5 61).

Masalah utama yang dihadapi oleh mereka yang ingin membuat gelas limbah nuklir paling stabil adalah umur panjang. Tetapi bagi para ahli arkeologi yang mencoba menstabilkan kaca yang rusak, mereka memiliki tantangan yang lebih mendesak, yaitu menghilangkan kelembapan dan dengan demikian menghentikan kaca agar tidak retak dan pecah. Kaca arkeologi dapat dikonsolidasikan dengan resin akrilik, diterapkan di atas lapisan korosi warna-warni. “Ini sebenarnya [bagian dari] kaca itu sendiri, jadi harus dilindungi,” kata amurcuoğlu.

Terlepas dari berapa lama kami telah menggunakan kaca, masih ada jalan panjang untuk memahami sepenuhnya bagaimana struktur dan komposisinya memengaruhi stabilitasnya. “Ini mengherankan saya bahwa kita masih tidak bisa menebak suhu leleh gelas dari komposisinya secara akurat. Sejumlah kecil elemen tambahan dapat memiliki efek yang sangat besar – ini benar-benar sedikit seni gelap, renung Thorpe.

Pekerjaannya di Sheffield akan berlanjut, dengan beberapa proyek yang diturunkan kepadanya yang telah berjalan selama lebih dari 50 tahun. The Ballidon Quarry di Derbyshire, Inggris, misalnya, menyelenggarakan salah satu eksperimen "penguburan kaca" terlama di dunia. Tujuannya adalah untuk menguji degradasi kaca arkeologi di bawah semacam kondisi basa yang akan dialami oleh limbah nuklir vitrifikasi, di samping limbah yang terbungkus semen (J. Kaca Stud. 14 149). Eksperimen ini dimaksudkan untuk berjalan selama 500 tahun. Apakah universitas itu sendiri akan bertahan selama itu masih harus dilihat, tetapi untuk limbah nuklir yang mereka kerjakan untuk melindungi kita, itu pasti akan bertahan.

Pos Solusi kaca untuk limbah nuklir muncul pertama pada Dunia Fisika.

• Coinsmart. Pertukaran Bitcoin dan Crypto Terbaik Eropa.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. AKSES GRATIS.
• CryptoHawk. Radar Altcoin. Uji Coba Gratis.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/a-glassy-solution-to-nuclear-waste/