Một giải pháp thủy tinh cho chất thải hạt nhân

Mặt nạ thần chết bằng vàng của pharaoh Tutankhamun là một trong những đồ tạo tác lịch sử nổi tiếng nhất trên thế giới. Hình ảnh sáng chói của vị vua trẻ có từ khoảng năm 1325 trước Công nguyên và có các dải màu xanh lam đôi khi được mô tả là lapis lazuli. Tuy nhiên, thay vì là loại đá bán quý được ưa chuộng ở Ai Cập cổ đại, trang trí nổi bật trên thực tế là thủy tinh màu.

Một vật liệu được thèm muốn và được đánh giá cao, được coi là xứng đáng với hoàng gia, thủy tinh đã từng được coi ngang hàng với đá quý, với những ví dụ về thủy tinh cổ xưa thậm chí còn xa hơn Tutankhamun. Thật vậy, các mẫu được các nhà khảo cổ và nhà khoa học khai quật và phân tích đã giúp hiểu rõ hơn về cách thức và nơi sản xuất thủy tinh bắt đầu. Nhưng đáng ngạc nhiên là thủy tinh cổ đại cũng đang được nghiên cứu bởi một nhóm nhà khoa học khác - những người đang tìm ra những cách an toàn để lưu trữ chất thải hạt nhân.

Năm tới, Hoa Kỳ sẽ bắt đầu vô hiệu hóa các phần của chất thải hạt nhân kế thừa của họ hiện đang được đặt trong 177 bể chứa dưới lòng đất tại Trang web Hanford, một cơ sở ngừng hoạt động ở bang Washington, nơi sản xuất plutonium cho vũ khí hạt nhân trong Chiến tranh Thế giới thứ hai và Chiến tranh Lạnh. Nhưng ý tưởng biến chất thải hạt nhân thành thủy tinh, hoặc thủy tinh hóa nó, đã được phát triển từ những năm 1970, như một cách để giữ các nguyên tố phóng xạ bị khóa và ngăn chúng rò rỉ ra ngoài.

Chất thải hạt nhân thường được phân loại ở mức độ thấp, trung bình hoặc cao, tùy thuộc vào độ phóng xạ của nó. Trong khi một số quốc gia làm thủy tinh hóa chất thải cấp thấp và trung bình, phương pháp này chủ yếu được sử dụng để cố định chất thải lỏng cấp cao, chứa các sản phẩm phân hạch và các nguyên tố transuranic có chu kỳ bán rã dài được tạo ra trong lõi lò phản ứng. Loại chất thải này cần được làm mát và che chắn tích cực vì nó đủ phóng xạ để làm nóng đáng kể cả bản thân và môi trường xung quanh.

Trước quá trình thủy tinh hóa, chất thải lỏng được làm khô (hoặc nung) để tạo thành bột. Sau đó, chất này được kết hợp với thủy tinh nóng chảy trong các lò luyện lớn và đổ vào các hộp thép không gỉ. Sau khi hỗn hợp nguội và tạo thành thủy tinh rắn, các thùng chứa sẽ được hàn kín và sẵn sàng để bảo quản, điều này ngày nay diễn ra trong các cơ sở sâu dưới lòng đất. Nhưng kính không chỉ cung cấp một rào cản, theo Clare Thorpe, một nhà nghiên cứu tại Đại học Sheffield, Vương quốc Anh, người đang nghiên cứu độ bền của chất thải hạt nhân thủy tinh hóa. “Nó tốt hơn thế. Chất thải trở thành một phần của kính ”.

Kính không chỉ cung cấp một rào cản. Nó tốt hơn thế. Chất thải trở thành một phần của kính

Clare Thorpe, Đại học Sheffield, Vương quốc Anh

Tuy nhiên, vẫn luôn có dấu hỏi về tính ổn định lâu dài của những chiếc kính này. Nói cách khác, làm thế nào chúng ta có thể biết được liệu những vật liệu này có tồn tại bất động qua hàng nghìn năm hay không? Để hiểu rõ hơn những câu hỏi này, các nhà nghiên cứu chất thải hạt nhân đang làm việc với các nhà khảo cổ học, người phụ trách bảo tàng và nhà địa chất để xác định các chất tương tự thủy tinh có thể giúp chúng ta hiểu chất thải hạt nhân thủy tinh hóa sẽ thay đổi như thế nào theo thời gian.

Thành phần ngọt ngào

Kính ổn định nhất được làm từ silicon dioxide tinh khiết (SiO₂), nhưng các chất phụ gia khác nhau - chẳng hạn như natri cacbonat (Na₂CO₃), bo trioxit (B₂O₃) và nhôm oxit (Al₂O₃) - thường được kết hợp để thay đổi các đặc tính của thủy tinh, chẳng hạn như độ nhớt và điểm nóng chảy. Ví dụ, thủy tinh borosilicat (chứa B₂O₃) có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp, do đó không bị nứt dưới nhiệt độ khắc nghiệt. Thorpe giải thích: “Vương quốc Anh và các quốc gia khác, bao gồm cả Mỹ và Pháp, đã chọn cách thủy tinh hóa chất thải của họ bằng thủy tinh borosilicat trước khi nó được lưu trữ.

Khi các nguyên tố như phụ gia hoặc chất thải hạt nhân được bao gồm, chúng sẽ trở thành một phần của cấu trúc thủy tinh như một bộ phận bổ sung hoặc bộ điều chỉnh mạng (hình 1). Các ion tạo mạng hoạt động như một chất thay thế cho silicon, trở thành một phần không thể thiếu của mạng liên kết hóa học liên kết chéo cao (ví dụ như bo và nhôm làm được điều này). Trong khi đó, các chất điều chỉnh làm gián đoạn liên kết giữa oxy và các phần tử tạo thủy tinh bằng cách liên kết lỏng lẻo với các nguyên tử oxy và tạo ra oxy “không bắc cầu” (natri, kali và canxi kết hợp theo cách này). Nguyên nhân thứ hai gây ra liên kết tổng thể yếu hơn trong vật liệu, có thể làm giảm điểm nóng chảy, sức căng bề mặt và độ nhớt tổng thể của thủy tinh.

“Có một điểm ngọt ngào nhất định nơi bạn có được lượng thích hợp [phụ gia thải bỏ] để tạo thành một chiếc thủy tinh rất bền,” giải thích Carolyn Pearce từ Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương ở Mỹ, người đang nghiên cứu động học của sự ổn định hạt nhân phóng xạ trong các dạng chất thải. “Nếu bạn thêm vào quá nhiều, bạn sẽ bắt đầu đẩy hệ thống tạo thành các pha tinh thể, điều này có vấn đề, bởi vì khi đó bạn có thủy tinh nhiều pha, không bền bằng thủy tinh một pha đồng nhất.”

Pearce cho biết chất thải ở Hanford chứa “hầu như mọi nguyên tố trong bảng tuần hoàn ở dạng này hay dạng khác” và được lưu trữ dưới dạng chất lỏng, bùn hoặc bánh muối, điều này khiến việc dự đoán thành phần thủy tinh ổn định nhất trở nên khó khăn hơn. “Có rất nhiều mô hình đi vào thiết kế các yếu tố hình thành thủy tinh sẽ được thêm vào. Họ sẽ mô tả đặc điểm của những gì trong bể chứa đang chờ đi vào cơ sở, và sau đó thiết kế thành phần của thủy tinh dựa trên hóa học đó. "

Việc sử dụng thủy tinh hóa chất thải hạt nhân được hỗ trợ bởi sự ổn định của các loại kính tự nhiên đã tồn tại hàng thiên niên kỷ, chẳng hạn như thủy tinh lửa, fulgurites (còn được gọi là “sét hóa thạch”) và thủy tinh trong thiên thạch. Thorpe cho biết: “Về lý thuyết, các nguyên tố phóng xạ phải được giải phóng với tốc độ tương đương với tốc độ tan ra của thủy tinh, và chúng ta biết rằng thủy tinh có độ bền cao, bởi vì chúng ta có thể nhìn thấy những chiếc kính núi lửa được làm cách đây hàng triệu năm vẫn còn nằm xung quanh ngày nay”. Nhưng không dễ để chứng minh rằng chất thải thủy tinh hóa sẽ tồn tại từ 60,000 đến hàng triệu năm cần thiết để chất thải phóng xạ phân hủy hoàn toàn - ví dụ như iốt-129 có chu kỳ bán rã hơn 15 triệu năm.

Khi thủy tinh tiếp xúc với nước hoặc hơi nước, nó bắt đầu hư hỏng rất chậm. Đầu tiên, các kim loại kiềm (natri hoặc kali) thoát ra ngoài. Sau đó, các mạng lưới thủy tinh bắt đầu bị phá vỡ, giải phóng silicat (và cả borat trong trường hợp thủy tinh borosilicat), sau đó tạo thành một lớp gel vô định hình trên bề mặt thủy tinh. Lớp này trở nên dày đặc theo thời gian, tạo ra một lớp “thụ động” bên ngoài cũng có thể chứa các pha kết tinh thứ cấp - các hợp chất hình thành từ sự kết tinh lại bề mặt của vật liệu đã được giải phóng khỏi thủy tinh khối. Tại thời điểm này, sự ăn mòn tiếp tục bị hạn chế bởi khả năng của các phần tử di chuyển qua lớp phủ này.

Nhưng nếu điều kiện thay đổi, hoặc có một số loài khoáng chất nhất định, thì lớp thụ động cũng có thể bị phá vỡ. Thorpe giải thích: “Các nghiên cứu đã làm nổi bật các yếu tố đáng quan tâm có thể liên quan đến điều gì đó được gọi là khôi phục tốc độ, đó là nơi một số khoáng chất thứ cấp kết tủa - đặc biệt là các zeolit ​​sắt và magiê - có liên quan đến tốc độ hòa tan thủy tinh. 2).

Một trong những phương pháp Thorpe và Pearce sử dụng để hiểu các cơ chế này là thử nghiệm nhanh thủy tinh mới hình thành. Thorpe nói: “Trong phòng thí nghiệm, để tăng tốc độ phản ứng, chúng tôi [làm phẳng] kính để tăng diện tích bề mặt và tăng nhiệt độ, thường lên đến 90 ° C. "Điều này thực sự hiệu quả để xếp hạng kính - nói rằng cái này bền hơn cái này - nhưng không tuyệt vời để xác định tốc độ hòa tan thực tế trong một môi trường tự nhiên phức tạp."

Thay vào đó, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng kính tương tự. “Kính borosilicate mới chỉ xuất hiện được khoảng 100 năm. Chúng tôi có một số dữ liệu về cách chúng hoạt động lâu dài, nhưng không có gì trải dài đến các loại khoảng thời gian mà chúng tôi cần để suy nghĩ về việc lưu trữ chất thải phóng xạ, ”Thorpe nói. Kính tự nhiên không phải lúc nào cũng là sự so sánh phù hợp vì chúng có xu hướng chứa ít nguyên tố kiềm, thường được tìm thấy trong kính thải hạt nhân và sẽ ảnh hưởng đến tính chất của chúng - vì vậy, lựa chọn khác là kính khảo cổ. Mặc dù thành phần của chúng không giống với thủy tinh thải, nhưng chúng có chứa nhiều nguyên tố khác nhau. Pearce nói: “Chỉ cần có những chất hóa học khác nhau này thực sự cho phép chúng tôi xem xét vai trò của điều này về mặt thay đổi.

Kính từ quá khứ

Trước khi khám phá ra cách tạo ra thủy tinh, con người đã sử dụng thủy tinh tự nhiên vì cả sức mạnh và vẻ đẹp của nó. Một ví dụ là chiếc trâm cài ngực được tìm thấy trong lăng mộ của Tutankhamun. Được đặt trên ngực của xác ướp, nó chứa một mảnh thủy tinh tự nhiên màu vàng nhạt có hình một con bọ hung cách đây ít nhất 3300 năm. Chiếc kính này đến từ sa mạc Libya, với nghiên cứu gần đây cho rằng sự hình thành của nó là do một vụ va chạm với thiên thạch cách đây 29 triệu năm. Các nhà khoa học đưa ra kết luận này là do sự hiện diện của các tinh thể silicat zirconium trong thủy tinh, đến từ khoáng vật reidite được hình thành ở áp suất cao (Địa chất 47 609).

“Sản xuất thủy tinh thường xuyên sớm nhất là vào khoảng năm 1600 trước Công nguyên,” Andrew Shortland, một nhà khoa học khảo cổ học tại Đại học Cranfield ở Anh. “Không nghi ngờ gì nữa, vật thể thủy tinh ngoạn mục nhất chính là chiếc mặt nạ thần chết của Tutankhamun trong danh mục [Bảo tàng] Cairo.”

Trong thế kỷ qua, các nhà khảo cổ đã bất đồng về nơi đầu tiên thủy tinh được sản xuất trên quy mô lớn, với miền bắc Syria và Ai Cập đều là những ứng cử viên chính. “Tôi muốn nói rằng tại thời điểm này, đã quá gần để gọi,” Shortland nói. Những chiếc kính được khai quật là kính silicat vôi soda - không quá khác với loại kính mà chúng ta vẫn sử dụng trong cửa sổ. Chúng được sản xuất bằng cách sử dụng các khoáng chất silicat với “chất trợ dung” chứa soda (Na₂CO₃), làm giảm điểm nóng chảy đến nhiệt độ nấu chảy có thể đạt được, và vôi (CaCO₃) để làm cho thủy tinh cứng hơn và bền hơn về mặt hóa học. “Silica trong những chiếc kính sơ khai này đến từ thạch anh vụn, được sử dụng vì nó rất sạch, rất ít sắt, titan và những thứ khác tạo màu cho thủy tinh.”

Vấn đề ăn mòn thủy tinh đã quen thuộc với các nhà bảo tồn khảo cổ học nhằm mục đích ổn định thủy tinh khi mới khai quật hoặc cất giữ trong viện bảo tàng. “Độ ẩm rõ ràng là điều tồi tệ nhất đối với thủy tinh,” nói Duygu Çamurcuoğlu, nhà bảo quản đồ vật cao cấp tại Bảo tàng Anh tại Luân Đôn. “Nếu không được chăm sóc cẩn thận, hơi ẩm sẽ bắt đầu tấn công và làm tan vỡ kính.” Çamurcuoğlu giải thích rằng màn hình kính khảo cổ có bề mặt óng ánh đẹp mắt thường được tạo thành từ gần 90% silicat vì các ion khác, đặc biệt là các ion kiềm, sẽ bị loại bỏ do ăn mòn.

Các chất tương tự khảo cổ học

Chìa khóa để sử dụng kính khảo cổ làm chất tương tự cho chất thải hạt nhân đã được thủy tinh hóa là có kiến ​​thức tốt về các điều kiện môi trường mà các đối tượng đã trải qua. Vấn đề là, kính càng cũ càng cứng. Thorpe giải thích: “Thứ gì đó 200 năm tuổi thực sự có thể hữu ích hơn, bởi vì chúng tôi có thể ghi lại chính xác hồ sơ khí hậu đầy đủ.” Bằng cách so sánh các mẫu khảo cổ học với chất thải được thủy tinh hóa, Thorpe và các đồng nghiệp có thể xác thực một số cơ chế mà họ đang thấy trong quá trình thử nghiệm ở nhiệt độ cao được tăng tốc, từ đó xác nhận liệu chúng có hình thành các quá trình và khoáng chất tương tự hay không, và không có gì họ có bị bỏ qua.

Theo kinh nghiệm của Shortland, các điều kiện môi trường địa phương chính xác có thể tạo ra sự khác biệt lớn đối với thời gian tồn tại của kính. Ông nhớ lại mình đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét để phân tích kính từ thành phố Nuzi thời kỳ đồ đồng muộn, gần Kirkuk ở Iraq, được khai quật ban đầu vào những năm 1930. "Chúng tôi nhận thấy rằng một số thủy tinh được bảo quản hoàn hảo, có màu sắc đẹp và chắc chắn, trong khi những mảnh khác đã bị phong hóa và biến mất hoàn toàn." Tuy nhiên, ông giải thích, các mẫu vật thường được tìm thấy trong cùng những ngôi nhà trong những căn phòng gần đó. "Chúng tôi đã đối phó với môi trường vi mô." Một sự khác biệt nhỏ về lượng ẩm trong hơn 3000 năm đã tạo ra các kiểu thời tiết rất khác nhau, như họ đã tìm thấy (Khảo cổ học 60 764).

Tất nhiên, các loại đồ tạo tác bằng thủy tinh được tìm thấy ở Nuzi hoặc những nơi khác là quá quý để được giao cho các nhà khoa học về chất thải hạt nhân để thử nghiệm, nhưng có rất nhiều mảnh thủy tinh khảo cổ ít hiếm hơn. Thorpe đang xem xét một số địa điểm khảo cổ có đặc điểm nổi bật, nơi vật liệu có thể cung cấp các chất tương tự hữu ích, chẳng hạn như xỉ - sản phẩm phế thải silicat-thủy tinh được hình thành trong quá trình nấu chảy sắt. Các khối xỉ đã được kết hợp vào một bức tường tại xưởng đúc Cầu Đen, một địa điểm thuộc thị trấn Hayle ở Cornwall, Vương quốc Anh, được xây dựng vào khoảng năm 1811 (Chèm. Geol. 413 28). Cô giải thích: “Chúng khá giống với một số vật liệu bị nhiễm plutonium khi chúng được thủy tinh hóa. "Bạn có thể chắc chắn rằng chúng đã tiếp xúc với không khí hoặc cửa sông mà chúng đã ở trong 250 năm." Cô cũng đã điều tra những thỏi thủy tinh 265 tuổi từ Albion con tàu đắm ngoài khơi Margate, Vương quốc Anh, nơi có hồ sơ toàn diện về nhiệt độ nước và độ mặn có niên đại 200 năm.

Thorpe và những người khác cũng đã xem xét tác động của kim loại đối với độ ổn định của kính. “Chúng tôi rất quan tâm đến vai trò của sắt vì nó sẽ hiện diện vì các hộp đựng [chứa chất thải thủy tinh hóa]. Trong các vị trí tương tự tự nhiên, nó hiện diện bởi vì phần lớn thời gian thủy tinh ở trong đất hoặc trong trường hợp là xỉ, được bao quanh bởi vật liệu giàu sắt ”. Điều đáng lo ngại là các ion sắt dương, rửa trôi từ thủy tinh hoặc môi trường xung quanh, quét các silicat tích điện âm từ lớp gel bề mặt của thủy tinh. Điều này sẽ làm kết tủa các khoáng chất sắt silicat, có khả năng phá vỡ lớp thụ động và kích hoạt tốc độ nối lại. Hiệu ứng này đã được thấy trong một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (Môi trường. Khoa học. Công nghệ. 47 750) nhưng Thorpe muốn thấy nó xảy ra trong hiện trường ở nhiệt độ thấp vì nhiệt động lực học rất khác với thử nghiệm gia tốc. Cho đến nay, họ không có bằng chứng cho thấy điều này xảy ra với chất thải hạt nhân đã được thủy tinh hóa và tin chắc rằng dù có hoặc không có sự hiện diện của sắt, những chiếc kính này đều có độ bền cao. Nhưng điều quan trọng vẫn là phải hiểu các quá trình có thể ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn xảy ra.

Một thách thức sinh học

Một loại kính tương tự mà Pearce và các đồng nghiệp đang nghiên cứu đến từ khu đồi Broborg thời tiền Viking ở Thụy Điển, nơi đã bị chiếm đóng khoảng 1500 năm trước. Nó chứa những bức tường thủy tinh hóa mà Pearce cho rằng được xây dựng có mục đích, chứ không phải là kết quả của sự tàn phá ngẫu nhiên hoặc bạo lực của địa điểm. Các bức tường đá granit được củng cố bằng cách nấu chảy đá amphibolit chứa phần lớn các khoáng chất silicat, để tạo thành một lớp vữa thủy tinh hóa bao quanh các tảng đá granit. Pearce cho biết: “Chúng tôi biết chính xác điều gì đã xảy ra với chiếc kính về nhiệt độ mà nó tiếp xúc với lượng mưa, thông qua các ghi chép ở Thụy Điển trong 1500 năm đó.

Sử dụng kính hiển vi điện tử để nghiên cứu kính Broborg, các nhà nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi phát hiện bề mặt tiếp xúc với môi trường được bao phủ bởi vi khuẩn, nấm và địa y. Nhóm của Pearce hiện đang cố gắng tìm hiểu tác động của hoạt động sinh học như vậy đối với sự ổn định của kính. Địa điểm này chứa một số chế phẩm thủy tinh khác nhau và họ phát hiện ra rằng các mẫu có nhiều sắt hơn cho thấy nhiều bằng chứng về sự xâm nhập của vi sinh vật (có thể do số lượng sinh vật có thể chuyển hóa sắt lớn hơn) và nhiều bằng chứng về tổn thương vật lý như rỗ.

Mặc dù có vẻ như một số sinh vật nhất định có thể phát triển trong những điều kiện khắc nghiệt này và thậm chí có thể chiết xuất các nguyên tố từ vật liệu, Pearce giải thích rằng cũng có thể màng sinh học cung cấp một lớp bảo vệ. "Vi khuẩn thích sống trong những điều kiện tương đối không thay đổi, vì tất cả các sinh vật sống đều tham gia vào quá trình cân bằng nội môi, và do đó chúng cố gắng điều chỉnh độ pH và hàm lượng nước xung quanh chúng." Nhóm của cô ấy hiện đang cố gắng xác định vai trò của màng sinh học và nó liên quan như thế nào đến thành phần thủy tinh (npj Vật liệu suy thoái 5 61).

Vấn đề quan trọng mà những người đang tìm cách tạo ra loại kính thải hạt nhân ổn định nhất phải đối mặt là tuổi thọ. Nhưng đối với các nhà bảo tồn khảo cổ học đang cố gắng ổn định thủy tinh đang xuống cấp, họ có một thách thức cấp bách hơn, đó là loại bỏ độ ẩm và do đó ngăn thủy tinh nứt và vỡ. Thủy tinh khảo cổ có thể được hợp nhất với nhựa acrylic, được phủ lên trên lớp ăn mòn ánh kim. Çamurcuoğlu nói: “Nó thực sự là [một phần của] chiếc kính, vì vậy nó cần được bảo vệ.

Mặc dù chúng ta đã sử dụng kính bao lâu, vẫn còn một chặng đường dài để hiểu đầy đủ về cách cấu trúc và thành phần ảnh hưởng đến sự ổn định của nó. “Tôi ngạc nhiên là chúng tôi vẫn không thể đoán chính xác nhiệt độ nóng chảy của một chiếc ly từ thành phần của nó. Một lượng rất nhỏ các yếu tố bổ sung có thể tạo ra những hiệu ứng to lớn - đó thực sự là một chút nghệ thuật đen tối, ”Thorpe trầm ngâm.

Công việc của cô tại Sheffield sẽ tiếp tục, với một số dự án được chuyển giao cho cô đã hoạt động trong hơn 50 năm. Ví dụ, mỏ đá Ballidon ở Derbyshire, Vương quốc Anh là nơi tổ chức một trong những thí nghiệm “chôn cất bằng kính” diễn ra lâu nhất trên thế giới. Mục đích là để kiểm tra sự xuống cấp của kính khảo cổ học trong điều kiện kiềm mà chất thải hạt nhân thủy tinh hóa sẽ trải qua, cùng với chất thải được bọc trong xi măng (J. Stud thủy tinh. 14 149). Thí nghiệm dự định sẽ chạy trong 500 năm. Liệu bản thân trường đại học có tồn tại được khoảng thời gian đó hay không vẫn còn phải xem, nhưng đối với chất thải hạt nhân mà họ đang làm việc để bảo vệ chúng ta, nó chắc chắn sẽ tồn tại lâu dài.

Các bài viết Một giải pháp thủy tinh cho chất thải hạt nhân xuất hiện đầu tiên trên Thế giới vật lý.

• Coinsmart. Sàn giao dịch Bitcoin và tiền điện tử tốt nhất Châu Âu.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. TRUY CẬP MIỄN PHÍ.
• CryptoHawk. Radar Altcoin. Dùng thử miễn phí.
• Nguồn: https://physicsworld.com/a/a-glassy-solution-to-nuclear-waste/