สารละลายแก้วสำหรับกากนิวเคลียร์

หน้ากากมรณะสีทองของฟาโรห์ตุตันคามุนเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ทางประวัติศาสตร์ที่มีชื่อเสียงที่สุดในโลก พระพักตร์อันแวววาวของกษัตริย์หนุ่มมีอายุย้อนกลับไปประมาณ 1325 ปีก่อนคริสตศักราช และมีแถบสีน้ำเงินซึ่งบางครั้งเรียกว่าลาพิสลาซูลี แทนที่จะเป็นหินกึ่งมีค่าที่อียิปต์โบราณนิยม การตกแต่งที่โดดเด่นคือกระจกสีจริงๆ

แก้วเป็นวัสดุที่โลภและมีคุณค่าสูงซึ่งถือว่าคู่ควรกับราชวงศ์ ครั้งหนึ่งเคยมองว่าแก้วมีความทัดเทียมกับอัญมณี โดยมีตัวอย่างของแก้วโบราณที่ย้อนกลับไปไกลกว่าตุตันคามุนเสียอีก แท้จริงแล้ว ตัวอย่างที่ขุดและวิเคราะห์โดยนักโบราณคดีและนักวิทยาศาสตร์ ช่วยให้เข้าใจได้ดีขึ้นว่าการผลิตแก้วเริ่มต้นอย่างไรและจากที่ใด แต่น่าประหลาดใจที่แก้วโบราณยังถูกศึกษาโดยนักวิทยาศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่ง ซึ่งกำลังค้นหาวิธีที่ปลอดภัยในการกักเก็บกากนิวเคลียร์

ปีหน้า สหรัฐฯ จะเริ่มทำให้กากนิวเคลียร์บางส่วนกลายเป็นแก้ว ซึ่งปัจจุบันถูกเก็บไว้ในถังเก็บใต้ดิน 177 ถังที่ เว็บไซต์ Hanfordซึ่งเป็นโรงงานที่เลิกใช้งานแล้วในรัฐวอชิงตันซึ่งผลิตพลูโทเนียมสำหรับอาวุธนิวเคลียร์ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองและสงครามเย็น แต่แนวคิดในการเปลี่ยนกากนิวเคลียร์ให้เป็นแก้วหรือทำให้กลายเป็นแก้วนั้น ได้รับการพัฒนาย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษ 1970 เพื่อเป็นแนวทางในการล็อคธาตุกัมมันตภาพรังสีและป้องกันไม่ให้รั่วไหลออกมา

โดยทั่วไปกากนิวเคลียร์จะถูกจัดอยู่ในระดับต่ำ ปานกลาง หรือสูง ขึ้นอยู่กับกัมมันตภาพรังสี ในขณะที่บางประเทศทำให้ของเสียระดับต่ำและระดับกลางกลายเป็นแก้ว แต่วิธีนี้ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อตรึงของเสียที่เป็นของเหลวระดับสูง ซึ่งประกอบด้วยผลิตภัณฑ์จากฟิชชันและองค์ประกอบทรานยูเรนิกที่มีครึ่งชีวิตยาวนานซึ่งสร้างขึ้นในแกนเครื่องปฏิกรณ์ ของเสียประเภทนี้จำเป็นต้องมีการระบายความร้อนและการป้องกันเนื่องจากมีกัมมันตภาพรังสีเพียงพอที่จะให้ความร้อนทั้งตัวมันเองและบริเวณโดยรอบ

ก่อนกระบวนการทำให้เป็นแก้ว ของเสียที่เป็นของเหลวจะถูกทำให้แห้ง (หรือเผา) ให้กลายเป็นผง จากนั้นจึงนำไปรวมไว้ในแก้วหลอมเหลวในโรงถลุงแร่ขนาดใหญ่ และเทลงในถังสแตนเลส เมื่อส่วนผสมเย็นตัวลงและกลายเป็นแก้วแข็ง ภาชนะต่างๆ จะถูกเชื่อมปิดและเตรียมพร้อมสำหรับการจัดเก็บ ซึ่งปัจจุบันนี้เกิดขึ้นในโรงงานใต้ดินที่อยู่ลึกลงไป แต่กระจกไม่ได้เป็นเพียงสิ่งกีดขวางเท่านั้น แคลร์ ธอร์ป, นักวิจัยจาก มหาวิทยาลัยเชฟฟิลด์ประเทศอังกฤษ ซึ่งกำลังศึกษาความทนทานของกากนิวเคลียร์แบบแก้ว “มันดีกว่านั้น. ขยะก็กลายเป็นส่วนหนึ่งของแก้ว”

กระจกไม่ได้เป็นเพียงสิ่งกีดขวางเท่านั้น มันดีกว่านั้น ขยะกลายเป็นส่วนหนึ่งของแก้ว

Clare Thorpe, มหาวิทยาลัยเชฟฟิลด์, สหราชอาณาจักร

อย่างไรก็ตาม มีคำถามอยู่เสมอเกี่ยวกับความเสถียรในระยะยาวของแว่นตาเหล่านี้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง เราจะรู้ได้อย่างไรว่าวัสดุเหล่านี้จะยังคงถูกตรึงไว้เป็นเวลานับพันปีหรือไม่? เพื่อให้เข้าใจคำถามเหล่านี้ได้ดีขึ้น นักวิจัยด้านขยะนิวเคลียร์กำลังทำงานร่วมกับนักโบราณคดี ภัณฑารักษ์พิพิธภัณฑ์ และนักธรณีวิทยา เพื่อระบุแก้วที่คล้ายคลึงกันซึ่งอาจช่วยให้เราเข้าใจว่ากากนิวเคลียร์ที่กลายเป็นแก้วจะเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาอย่างไร

ส่วนผสมจุดหวาน

แก้วที่มีความเสถียรที่สุดทำจากซิลิคอนไดออกไซด์บริสุทธิ์ (SiO₂) แต่สารเติมแต่งต่างๆ – เช่น โซเดียมคาร์บอเนต (Na₂CO₃), โบรอนไตรออกไซด์ (B₂O₃) และอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) – มักถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของแก้ว เช่น ความหนืดและจุดหลอมเหลว ตัวอย่างเช่น แก้วบอโรซิลิเกต (ที่มี B₂O₃) มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก จึงไม่แตกร้าวภายใต้อุณหภูมิที่สูงมาก “สหราชอาณาจักรและประเทศอื่นๆ รวมถึงสหรัฐอเมริกาและฝรั่งเศส เลือกที่จะทำให้ของเสียเป็นแก้วในแก้วบอโรซิลิเกตก่อนจัดเก็บ” Thorpe อธิบาย

เมื่อมีการรวมองค์ประกอบต่างๆ เช่น สารเติมแต่งหรือกากนิวเคลียร์เข้าด้วยกัน องค์ประกอบเหล่านั้นจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างแก้วในฐานะตัวสร้างเครือข่ายหรือตัวดัดแปลง (รูปที่ 1) ไอออนที่ก่อตัวเป็นเครือข่ายทำหน้าที่แทนซิลิคอน โดยกลายเป็นส่วนสำคัญของเครือข่ายที่มีพันธะเคมีเชื่อมโยงข้ามสูง (เช่น โบรอนและอะลูมิเนียมทำเช่นนี้) ในขณะเดียวกัน ตัวดัดแปลงจะขัดขวางพันธะระหว่างออกซิเจนและองค์ประกอบที่ก่อรูปแก้วด้วยพันธะอย่างหลวมๆ กับอะตอมของออกซิเจน และทำให้เกิดออกซิเจนที่ "ไม่เชื่อม" (โซเดียม โพแทสเซียม และแคลเซียมรวมเข้าด้วยกันในลักษณะนี้) อย่างหลังทำให้เกิดการยึดเกาะโดยรวมในวัสดุน้อยลง ซึ่งสามารถลดจุดหลอมเหลว แรงตึงผิว และความหนืดของกระจกโดยรวมได้

“มีจุดที่น่าสนใจบางประการที่คุณได้รับ [ของสารเติมแต่ง] ในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อสร้างแก้วที่ทนทานมาก” อธิบาย แคโรลีน เพียร์ซ จาก ห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ ในสหรัฐอเมริกาที่กำลังศึกษาจลนศาสตร์ของความเสถียรของนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีในรูปของเสีย “ถ้าคุณเติมมากเกินไป คุณจะเริ่มผลักดันระบบให้สร้างเฟสผลึกซึ่งเป็นปัญหา เพราะคุณจะมีกระจกหลายเฟสซึ่งไม่คงทนเท่ากับกระจกเฟสเดียวที่เป็นเนื้อเดียวกัน”

เพียร์ซกล่าวว่าของเสียที่แฮนฟอร์ดประกอบด้วย “ธาตุแทบทุกธาตุในตารางธาตุในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง” และถูกเก็บไว้เป็นของเหลว ตะกอน หรือเค้กเกลือ ซึ่งทำให้ยากต่อการคาดเดาองค์ประกอบของแก้วที่เสถียรที่สุด “มีการสร้างแบบจำลองมากมายในการออกแบบองค์ประกอบที่ขึ้นรูปด้วยแก้วที่จะเพิ่มเติมเข้าไป พวกเขาจะอธิบายลักษณะของสิ่งที่อยู่ในแท็งก์ที่รอเข้าไปในโรงงาน จากนั้นจึงออกแบบองค์ประกอบของกระจกตามคุณสมบัติทางเคมีนั้น”

การใช้การทำให้เป็นน้ำแข็งสำหรับกากนิวเคลียร์ได้รับการสนับสนุนจากความเสถียรของแก้วธรรมชาติที่มีมานานนับพันปี เช่น แก้วอัคนี ฟูลกูไรต์ (หรือที่เรียกว่า "ฟอสซิลฟ้าผ่า") และแก้วในอุกกาบาต “ตามทฤษฎีแล้ว ธาตุกัมมันตภาพรังสีควรถูกปล่อยออกมาในอัตราเดียวกับที่กระจกละลาย และเรารู้ว่าแก้วมีความทนทานสูง เพราะเราสามารถมองเห็นแก้วภูเขาไฟที่ทำเมื่อหลายล้านปีก่อนยังคงนั่งอยู่รอบๆ ปัจจุบัน” Thorpe กล่าว แต่มันไม่ง่ายเลยที่จะพิสูจน์ว่าของเสียที่กลายเป็นแก้วจะมีชีวิตรอดได้นานถึง 60,000 ถึงล้านปีที่จำเป็นสำหรับขยะกัมมันตภาพรังสีที่จะสลายตัวอย่างสมบูรณ์ เช่น ไอโอดีน-129 มีครึ่งชีวิตมากกว่า 15 ล้านปี

เมื่อกระจกสัมผัสกับน้ำหรือไอน้ำ กระจกจะเริ่มเสื่อมสภาพอย่างช้าๆ ขั้นแรก โลหะอัลคาไล (โซเดียมหรือโพแทสเซียม) จะหลุดออกมา จากนั้นโครงข่ายแก้วก็เริ่มสลายตัว โดยปล่อยซิลิเกตออกมา (และบอเรตในกรณีของแก้วบอโรซิลิเกตด้วย) ซึ่งต่อมาจะก่อตัวเป็นชั้นเจลอสัณฐานบนพื้นผิวกระจก สิ่งนี้จะมีความหนาแน่นมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้เกิดชั้น "ทู่" ภายนอกที่สามารถประกอบด้วยเฟสการตกผลึกขั้นที่สอง ซึ่งเป็นสารประกอบที่เกิดขึ้นจากการตกผลึกซ้ำที่พื้นผิวของวัสดุที่ปล่อยออกมาจากแก้วเทกอง ณ จุดนี้ การกัดกร่อนเพิ่มเติมจะถูกจำกัดโดยความสามารถขององค์ประกอบในการเคลื่อนย้ายผ่านสารเคลือบนี้

แต่หากสภาวะเปลี่ยนแปลง หรือมีแร่ธาตุบางชนิดอยู่ ชั้นฟิล์มก็สามารถสลายได้เช่นกัน “การศึกษาได้เน้นย้ำถึงองค์ประกอบที่น่ากังวลซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่าอัตราการเริ่มต้นใหม่ ซึ่งเป็นจุดที่แร่ธาตุทุติยภูมิบางส่วนตกตะกอน โดยเฉพาะเหล็กและซีโอไลต์แมกนีเซียม มีส่วนเกี่ยวข้องกับอัตราการละลายของแก้วที่เร็วขึ้น” Thorpe อธิบาย (รูป 2).

หนึ่งในวิธีที่ Thorpe และ Pearce ใช้เพื่อทำความเข้าใจกลไกเหล่านี้คือการทดสอบกระจกที่ขึ้นรูปใหม่แบบเร่ง “ในห้องปฏิบัติการ เพื่อเร่งปฏิกิริยา เรา [ทำให้กระจกเรียบ] เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว และเพิ่มอุณหภูมิ ซึ่งโดยทั่วไปจะสูงถึง 90 °C” Thorpe กล่าว “วิธีนี้ใช้ได้ผลจริงๆ สำหรับการจัดอันดับแว่นตา โดยบอกว่าแว่นตารุ่นนี้ทนทานกว่าแว่นตารุ่นนี้ แต่ก็ไม่เหมาะกับการพิจารณาอัตราการละลายที่แท้จริงในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติที่ซับซ้อน”

นักวิจัยหันมาใช้แว่นตาอะนาล็อกที่มีอยู่แล้วแทน “แก้ว Borosilicate มีมาประมาณ 100 ปีเท่านั้น เรามีข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับวิธีการทำงานของพวกมันในระยะยาว แต่ไม่มีการขยายเวลาใดที่เราต้องพิจารณาเกี่ยวกับการจัดเก็บกากกัมมันตภาพรังสี” Thorpe กล่าว แก้วธรรมชาติไม่ใช่การเปรียบเทียบที่เหมาะสมเสมอไป เนื่องจากมีองค์ประกอบอัลคาไลต่ำ ซึ่งมักพบในแก้วขยะนิวเคลียร์ และจะส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติของแก้วเหล่านั้น ดังนั้น อีกทางเลือกหนึ่งคือแก้วทางโบราณคดี แม้ว่าองค์ประกอบจะไม่เหมือนกับเศษแก้ว แต่ก็มีองค์ประกอบหลายอย่าง “การมีสารเคมีที่แตกต่างกันเหล่านี้ช่วยให้เราสามารถพิจารณาบทบาทของสิ่งนี้ได้ในแง่ของการเปลี่ยนแปลง” เพียร์ซกล่าว

แก้วจากอดีต.

ก่อนที่จะค้นพบวิธีการสร้างกระจก มนุษย์ใช้กระจกธรรมชาติเพื่อความแข็งแรงและความสวยงาม ตัวอย่างหนึ่งคือครีบอกหรือเข็มกลัดที่พบในหลุมศพของตุตันคามุน วางอยู่บนหน้าอกของมัมมี่ โดยบรรจุชิ้นส่วนแก้วธรรมชาติสีเหลืองอ่อนที่มีรูปร่างเป็นด้วงแมลงปีกแข็งเมื่อประมาณ 3300 ปีก่อน แก้วนี้มาจากทะเลทรายลิเบีย โดยงานวิจัยล่าสุดระบุว่าการก่อตัวของมันเกิดจากการชนของอุกกาบาตเมื่อ 29 ล้านปีก่อน นักวิทยาศาสตร์มาถึงข้อสรุปนี้เนื่องจากมีผลึกเซอร์โคเนียมซิลิเกตอยู่ภายในแก้ว ซึ่งมาจากแร่ไรไดต์ที่เกิดขึ้นที่ความดันสูง (ธรณีวิทยา 47 609).

“การผลิตแก้วที่เก่าแก่ที่สุดเป็นประจำคือประมาณ 1600 ปีก่อนคริสตศักราช” กล่าว แอนดรูว์ ชอร์ตแลนด์, นักวิทยาศาสตร์โบราณคดีที่ มหาวิทยาลัย Cranfield ในสหราชอาณาจักร “ไม่ต้องสงสัยเลยว่าวัตถุกระจกที่น่าทึ่งที่สุดคือหน้ากากแห่งความตายของตุตันคาเมนในแค็ตตาล็อก [พิพิธภัณฑ์] ของไคโร”

ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา นักโบราณคดีไม่เห็นด้วยกับสถานที่ที่มีการผลิตแก้วเป็นครั้งแรกในวงกว้าง โดยทางตอนเหนือของซีเรียและอียิปต์ต่างก็เป็นตัวเลือกอันดับต้นๆ “ฉันว่าตอนนี้มันใกล้จะสายเกินไปแล้ว” ชอร์ตแลนด์กล่าว แก้วที่ขุดขึ้นมาเป็นแก้วโซดาไลม์ซิลิเกต ซึ่งไม่ต่างจากแก้วที่เรายังคงใช้ในหน้าต่างมากนัก สิ่งเหล่านี้ผลิตขึ้นโดยใช้แร่ซิลิเกตที่มี "ฟลักซ์" ที่ประกอบด้วยโซดา (Na₂CO₃) ซึ่งจะลดจุดหลอมเหลวลงเหลืออุณหภูมิถลุงที่สามารถบรรลุได้ และปูนขาว (CaCO₃) เพื่อทำให้กระจกแข็งขึ้นและทนทานทางเคมีมากขึ้น “ซิลิกาในแก้วยุคแรกๆ เหล่านี้มาจากควอตซ์บด ซึ่งใช้เพราะมันสะอาดมาก มีธาตุเหล็ก ไทเทเนียม และสิ่งอื่นๆ ที่ทำให้แก้วมีปริมาณน้อยมาก”

ปัญหาการกัดกร่อนของกระจกเป็นปัญหาที่นักอนุรักษ์ทางโบราณคดีคุ้นเคยกันดีซึ่งมีเป้าหมายเพื่อรักษาเสถียรภาพของกระจกเมื่อขุดขึ้นมาใหม่หรือเก็บไว้ในพิพิธภัณฑ์ “เห็นได้ชัดว่าความชื้นเป็นสิ่งที่แย่ที่สุดสำหรับแก้ว” กล่าว ดุยกู ชามูร์คูโอกลู,นักอนุรักษ์วัตถุอาวุโสที่ บริติชมิวเซียม ในลอนดอน. “หากดูแลไม่ดี ความชื้นจะเริ่มโจมตีและทำให้กระจกละลาย” çamurcuoğlu อธิบายว่ากระจกทางโบราณคดีที่มีพื้นผิวสีรุ้งสวยงามมักประกอบด้วยซิลิเกตเกือบ 90% เนื่องจากไอออนอื่นๆ โดยเฉพาะไอออนอัลคาไล จะถูกกำจัดออกไปโดยการกัดกร่อน

การเปรียบเทียบทางโบราณคดี

กุญแจสำคัญในการใช้แว่นตาทางโบราณคดีเป็นอะนาล็อกสำหรับกากนิวเคลียร์ที่ผ่านการทำให้เป็นแก้วคือการมีความรู้ที่ดีเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่วัตถุนั้นได้ประสบ ปัญหาก็คือ ยิ่งกระจกมีอายุมากขึ้นเท่าไร “ของที่มีอายุ 200 ปีจริงๆ อาจจะมีประโยชน์มากกว่า” Thorpe อธิบาย “เพราะเราสามารถปักหมุดบันทึกสภาพอากาศได้ครบถ้วน” ด้วยการเปรียบเทียบตัวอย่างทางโบราณคดีกับของเสียที่กลายเป็นแก้ว Thorpe และเพื่อนร่วมงานสามารถตรวจสอบความถูกต้องของกลไกบางอย่างที่พวกเขาเห็นในการทดสอบที่อุณหภูมิสูงแบบเร่งด่วน ซึ่งจะช่วยยืนยันได้ว่าพวกมันมีกระบวนการและการก่อตัวของแร่ธาตุที่คล้ายคลึงกันหรือไม่ และไม่มีอะไรที่พวกมันมี มองข้าม

จากประสบการณ์ของ Shortland สภาพแวดล้อมในท้องถิ่นที่แม่นยำสามารถสร้างความแตกต่างอย่างมากต่อระยะเวลาที่กระจกยังคงอยู่ได้ เขาจำได้ว่าใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดในการวิเคราะห์แก้วจากเมือง Nuzi ในยุคสำริดตอนปลาย ใกล้กับเมือง Kirkuk ในอิรัก ซึ่งขุดขึ้นมาครั้งแรกในช่วงทศวรรษที่ 1930 “เราสังเกตเห็นว่ากระจกบางชิ้นได้รับการเก็บรักษาไว้อย่างสมบูรณ์แบบ มีสีสวยงาม และทนทาน ในขณะที่ชิ้นอื่นๆ ผ่านการผุกร่อนและหายไปจนหมด” แต่เขาอธิบายว่าตัวอย่างเหล่านี้มักพบในบ้านเดียวกันในห้องใกล้เคียง “เรากำลังเผชิญกับสภาพแวดล้อมระดับจุลภาค” ความแตกต่างเล็กน้อยของปริมาณความชื้นในช่วง 3000 ปีทำให้เกิดรูปแบบสภาพอากาศที่แตกต่างกันมาก ดังที่พวกเขาพบ (โบราณคดี 60 764).

แน่นอนว่า สิ่งประดิษฐ์จากแก้วที่พบใน Nuzi หรือที่อื่นๆ มีค่ามากเกินกว่าจะมอบให้นักวิทยาศาสตร์ด้านขยะนิวเคลียร์ทำการทดสอบ แต่มีชิ้นแก้วทางโบราณคดีที่หายากน้อยกว่าอยู่หลายชิ้น ทอร์ปกำลังมองหาแหล่งโบราณคดีที่มีลักษณะเฉพาะหลายแห่ง ซึ่งวัสดุอาจเป็นแหล่งอะนาล็อกที่มีประโยชน์ เช่น ตะกรัน ซึ่งเป็นของเสียจากแก้วซิลิเกตที่เกิดขึ้นระหว่างการถลุงเหล็ก บล็อกตะกรันถูกรวมเข้ากับผนังที่โรงหล่อ Black Bridge ซึ่งตั้งอยู่ในเมือง Hayle ในคอร์นวอลล์ สหราชอาณาจักร สร้างขึ้นราวปี 1811 (เคมี. จีออล. 413 28). “พวกมันค่อนข้างจะคล้ายคลึงกับวัสดุบางชนิดที่ปนเปื้อนพลูโตเนียมเมื่อถูกทำให้เป็นแก้ว” เธออธิบาย “คุณสามารถมั่นใจได้ว่าพวกมันได้สัมผัสกับอากาศหรือปากแม่น้ำที่พวกเขาอาศัยอยู่มาเป็นเวลา 250 ปี” เธอยังได้สำรวจแท่งแก้วอายุ 265 ปีจาก อัลเบียน ซากเรืออับปางนอกชายฝั่ง Margate สหราชอาณาจักร ซึ่งมีบันทึกอุณหภูมิของน้ำและความเค็มที่ครอบคลุมย้อนหลังไป 200 ปี

Thorpe และบริษัทอื่นๆ ยังได้พิจารณาถึงผลกระทบของโลหะที่มีต่อความเสถียรของกระจกอีกด้วย “เราสนใจบทบาทของเหล็กเป็นอย่างมากเนื่องจากจะมีถังบรรจุ (เก็บกากแก้ว) ในสถานที่อะนาล็อกตามธรรมชาติ มันมีอยู่เพราะส่วนใหญ่แล้วแก้วจะอยู่ในดินหรือในกรณีของตะกรัน ล้อมรอบด้วยวัสดุที่มีธาตุเหล็กสูง” ความกังวลก็คือไอออนของเหล็กบวกที่ชะออกมาจากกระจกหรือสิ่งรอบตัว จะไล่ซิลิเกตที่มีประจุลบออกจากชั้นเจลบนพื้นผิวของแก้ว สิ่งนี้จะตกตะกอนแร่ธาตุเหล็กซิลิเกตซึ่งอาจรบกวนชั้นพาสฟิเคชันและกระตุ้นให้อัตราการเริ่มต้นใหม่ ผลกระทบนี้พบเห็นได้จากการศึกษาในห้องปฏิบัติการจำนวนหนึ่ง (สิ่งแวดล้อม วิทย์. เทคโนโลยี 47 750) แต่ Thorpe ต้องการเห็นสิ่งนี้เกิดขึ้นในสนามที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากอุณหพลศาสตร์แตกต่างอย่างมากจากการทดสอบแบบเร่ง จนถึงขณะนี้ พวกเขายังไม่มีหลักฐานว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นกับกากนิวเคลียร์ที่กลายเป็นแก้ว และมั่นใจว่าไม่ว่าจะมีเหล็กหรือไม่ก็ตาม แก้วเหล่านี้มีความทนทานสูง แต่สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจกระบวนการที่อาจส่งผลต่ออัตราการกัดกร่อนที่เกิดขึ้น

ความท้าทายทางชีวภาพ

แก้วอะนาล็อกที่ Pearce และเพื่อนร่วมงานศึกษามาจากเนินเขา Broborg ก่อนยุคไวกิ้งในสวีเดน ซึ่งถูกครอบครองเมื่อประมาณ 1500 ปีก่อน ภายในประกอบด้วยกำแพงแก้วที่ Pearce คิดว่าถูกสร้างขึ้นโดยเจตนา แทนที่จะเป็นผลจากการทำลายสถานที่โดยไม่ได้ตั้งใจหรือรุนแรง ผนังหินแกรนิตได้รับการเสริมกำลังโดยการหลอมหินแอมฟิโบไลต์ที่มีแร่ธาตุซิลิเกตเป็นส่วนใหญ่ เพื่อสร้างเป็นปูนแก้วที่อยู่รอบๆ หินแกรนิต “เรารู้แน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นกับกระจกในแง่ของอุณหภูมิที่กระจกสัมผัสกับ และปริมาณน้ำฝน ผ่านบันทึกในสวีเดนย้อนหลัง 1500 ปีที่ผ่านมา” Pearce กล่าว

นักวิจัยรู้สึกประหลาดใจที่พบว่าพื้นผิวที่สัมผัสกับสิ่งแวดล้อมปกคลุมไปด้วยแบคทีเรีย เชื้อรา และไลเคนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเพื่อศึกษาแก้วโบรบอร์ก ขณะนี้ทีมงานของ Pearce กำลังพยายามทำความเข้าใจถึงผลกระทบของกิจกรรมทางชีวภาพดังกล่าวที่มีต่อความเสถียรของแก้ว ไซต์นี้มีส่วนประกอบของแก้วที่แตกต่างกันหลายแบบ และพบว่าตัวอย่างที่มีธาตุเหล็กมากกว่าแสดงหลักฐานการตั้งอาณานิคมของจุลินทรีย์มากขึ้น (อาจเป็นเพราะสิ่งมีชีวิตจำนวนมากสามารถเผาผลาญธาตุเหล็กได้) และมีหลักฐานความเสียหายทางกายภาพมากขึ้น เช่น การเกิดรูพรุน

แม้ว่าดูเหมือนว่าสิ่งมีชีวิตบางชนิดสามารถเจริญเติบโตได้ในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเหล่านี้ และอาจถึงขั้นดึงองค์ประกอบต่างๆ ออกมาจากวัสดุด้วยซ้ำ Pearce อธิบายว่าก็เป็นไปได้เช่นกันที่แผ่นชีวะจะสร้างชั้นป้องกัน “แบคทีเรียชอบอาศัยอยู่ในสภาวะที่ค่อนข้างไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากสิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีส่วนร่วมในสภาวะสมดุล ดังนั้นพวกมันจึงพยายามควบคุมค่า pH และปริมาณน้ำที่อยู่รอบตัวพวกมัน” ขณะนี้ทีมงานของเธอกำลังพยายามพิจารณาว่าแผ่นชีวะมีบทบาทอย่างไร และเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบของแก้วอย่างไร (npj การย่อยสลายของวัสดุ 5 61).

ปัญหาสำคัญที่ผู้ที่ต้องการสร้างแก้วขยะนิวเคลียร์ที่เสถียรที่สุดต้องเผชิญคือเรื่องอายุที่ยืนยาว แต่สำหรับนักอนุรักษ์ทางโบราณคดีที่พยายามรักษาเสถียรภาพของกระจกที่เสื่อมสภาพ พวกเขามีความท้าทายที่เร่งด่วนกว่า ซึ่งก็คือการกำจัดความชื้น และป้องกันไม่ให้กระจกแตกร้าว แก้วโบราณคดีสามารถรวมเข้ากับเรซินอะคริลิกและทาทับชั้นการกัดกร่อนสีรุ้งได้ “จริงๆ แล้วมันเป็น [ส่วนหนึ่งของ] ตัวแก้ว ดังนั้นจึงควรได้รับการปกป้อง” ชามัวร์คูโอกลูกล่าว

แม้ว่าเราจะใช้กระจกมายาวนาน แต่ก็ยังมีหนทางอีกยาวไกลในการทำความเข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าโครงสร้างและองค์ประกอบของแก้วส่งผลต่อความเสถียรอย่างไร “ฉันประหลาดใจที่เรายังไม่สามารถเดาอุณหภูมิหลอมเหลวของแก้วจากส่วนประกอบของมันได้อย่างแม่นยำทั้งหมด องค์ประกอบเพิ่มเติมจำนวนเล็กน้อยสามารถทำให้เกิดเอฟเฟ็กต์ที่ยิ่งใหญ่ได้ มันเป็นศิลปะที่มืดมนจริงๆ” ธอร์ปรำพึง

งานของเธอที่เชฟฟิลด์จะดำเนินต่อไป โดยมีบางโปรเจ็กต์ที่สืบทอดมาให้เธอซึ่งดำเนินกิจการมากว่า 50 ปี ตัวอย่างเช่น เหมือง Ballidon ในเมือง Derbyshire สหราชอาณาจักร เป็นเจ้าภาพการทดลอง "การฝังแก้ว" ที่ยาวนานที่สุดครั้งหนึ่งในโลก จุดมุ่งหมายคือเพื่อทดสอบการย่อยสลายของแก้วทางโบราณคดีภายใต้สภาวะที่เป็นด่างซึ่งกากนิวเคลียร์ที่กลายเป็นแก้วจะต้องเผชิญ ควบคู่ไปกับของเสียที่ห่อหุ้มอยู่ในซีเมนต์ (เจ.สตั๊ดแก้ว. 14 149). การทดลองนี้มีจุดมุ่งหมายให้ดำเนินการเป็นเวลา 500 ปี ไม่ว่ามหาวิทยาลัยจะคงอยู่ได้นานขนาดนั้นหรือไม่ก็ตาม แต่สำหรับกากนิวเคลียร์ที่พวกเขากำลังดำเนินการเพื่อปกป้องเรานั้น มหาวิทยาลัยจะยังคงอยู่ต่อไปอย่างแน่นอน

โพสต์ สารละลายแก้วสำหรับกากนิวเคลียร์ ปรากฏตัวครั้งแรกเมื่อ โลกฟิสิกส์.

• คอยน์สมาร์ท การแลกเปลี่ยน Bitcoin และ Crypto ที่ดีที่สุดในยุโรป
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าฟรี
• คริปโตฮอว์ก เรดาร์ Altcoin ทดลองฟรี.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/a-glassy-solution-to-nuclear-waste/