Стеклянное решение проблемы ядерных отходов

Древнее стекло представляет интерес не только для историков и археологов — оно также может содержать ключ к пониманию долговечности остеклованных ядерных отходов. Рэйчел Бразил расследует

Золотая посмертная маска фараона Тутанхамона – один из самых известных исторических артефактов в мире. Сияющий лик молодого короля датируется примерно 1325 годом до нашей эры и украшен синими полосами, которые иногда называют лазуритом. Однако поразительное украшение представляет собой не полудрагоценный камень, любимый в Древнем Египте, а цветное стекло.

Желанный и высоко ценимый материал, считающийся достойным королевской семьи, стекло когда-то рассматривалось наравне с драгоценными камнями, причем примеры древнего стекла восходят даже к временам Тутанхамона. Действительно, образцы, раскопанные и проанализированные археологами и учеными, позволили лучше понять, как и где началось производство стекла. Но что удивительно, древнее стекло изучает и другая группа учёных – тех, кто ищет безопасные способы хранения ядерных отходов.

В следующем году США начнут остекловывать часть своих устаревших ядерных отходов, которые в настоящее время хранятся в 177 подземных резервуарах Хэнфордского полигона, выведенного из эксплуатации объекта в штате Вашингтон, где производился плутоний для ядерного оружия во время Второй мировой войны и холодной войны. Но идея превратить ядерные отходы в стекло или остекловать его возникла еще в 1970-х годах как способ удержать радиоактивные элементы взаперти и предотвратить их утечку.

Ядерные отходы обычно классифицируются как отходы низкого, среднего или высокого уровня, в зависимости от их радиоактивности. Хотя некоторые страны остекловывают отходы низкого и среднего уровня активности, этот метод в основном используется для иммобилизации высокоактивных жидких отходов, которые содержат продукты деления и трансурановые элементы с длительным периодом полураспада, образующиеся в активной зоне реактора. Этот тип отходов требует активного охлаждения и защиты, поскольку он достаточно радиоактивный, чтобы значительно нагревать как себя, так и окружающую среду.

Перед процессом остекловывания жидкие отходы сушат (или прокаливают) до образования порошка. Затем его добавляют в расплавленное стекло в огромных плавильных печах и разливают в канистры из нержавеющей стали. После того как смесь остынет и превратится в твердое стекло, контейнеры заваривают и готовят к хранению, которое в настоящее время происходит в глубоких подземных хранилищах. Но стекло не просто обеспечивает барьер, по мнению Клэр Торп, научного сотрудника из Университета Шеффилда (Великобритания), которая изучает долговечность остеклованных ядерных отходов. «Это даже лучше. Отходы становятся частью стекла».

Стекло не просто является барьером. Это лучше, чем это. Отходы становятся частью стекла

Однако долгосрочная стабильность этих очков всегда вызывала вопросы. Другими словами, как мы можем узнать, останутся ли эти материалы иммобилизованными на протяжении тысячелетий? Чтобы лучше понять эти вопросы, исследователи ядерных отходов работают с археологами, кураторами музеев и геологами над выявлением аналогов стекла, которые могут помочь нам понять, как остеклованные ядерные отходы будут меняться со временем.

Наиболее стабильные стекла изготавливаются из чистого диоксида кремния (SiO2), но для изменения свойств стекла часто добавляют различные добавки, такие как карбонат натрия (Na2CO3), триоксид бора (B2O3) и оксид алюминия (Al2O3), например как вязкость и температура плавления. Например, боросиликатное стекло (содержащее B2O3) имеет очень низкий коэффициент теплового расширения, поэтому не трескается при экстремальных температурах. «Великобритания и другие страны, в том числе США и Франция, решили остекловывать свои отходы в боросиликатном стекле перед их отправкой на хранение», — объясняет Торп.

Когда в него включаются такие элементы, как добавки или ядерные отходы, они становятся частью структуры стекла либо в качестве сеткообразователей, либо в качестве модификаторов (рис. 1). Ионы, образующие сетку, заменяют кремний, становясь неотъемлемой частью сильно сшитой химически связанной сети (например, бор и алюминий). Между тем, модификаторы разрывают связи между кислородом и стеклообразующими элементами, слабо связываясь с атомами кислорода и вызывая образование «немостикового» кислорода (таким образом соединяются натрий, калий и кальций). Последнее вызывает более слабую общую связь в материале, что может снизить температуру плавления, поверхностное натяжение и вязкость стекла в целом.