Immobilization of simulated An4+ in radioactive sludge using waste electronic sealing glass via microwave sintering: Mechanism and performance

Kernenergie bietet eine leistungsstarke Möglichkeit zur Stromerzeugung, hinterlässt jedoch ein schwieriges Erbe: radioaktiven Abfall. Ein Teil dieses Abfalls ist eine dicke, schlammartige Mischung, die gefährliche Elemente enthält, welche über Jahrtausende hinweg gefährlich bleiben können. Um dieses Material sicher zu halten, müssen Wissenschaftler es in einem festen Block einschließen, der nicht zerbröckelt oder leckt, selbst wenn er über Jahrhunderte tief unter der Erde vergraben liegt. Glas ist seit langem das Material der Wahl für diese Aufgabe, da es von Natur aus robust ist und Atome in seiner Struktur einschließen kann. Es ist jedoch ein empfindlicher Balanceakt, Glas herzustellen, das eine große Menge an Abfall aufnehmen kann, ohne auseinanderzufallen. Wenn zu viel Abfall hinzugefügt wird, wird das Glas instabil, bekommt Risse oder lässt die radioaktiven Elemente entweichen. Die Herausforderung besteht darin, den exakten Punkt zu finden, an dem das Glas den Abfall noch sicher halten kann – eine Grenze, die sich je nach Herstellung und Zusammensetzung des Glases verändert.

Ein Team von Forschern der Shenzhen University und der University of South China hat dieses Problem kürzlich angegangen, indem sie eine andere Art von Abfall in eine Lösung verwandelten. Sie nahmen weggeworfenes elektronisches Versiegelungsglas, ein Nebenprodukt der Elektronikindustrie, das reich an Zink und Bor ist, und nutzten es, um eine simulierte Version von radioaktivem Schlamm einzuschließen. Anstatt die Mischung in einem herkömmlichen Ofen zu schmelzen, verwendeten sie einen Mikrowellenherd, um das Material schnell auf Temperaturen zwischen 1100 und 1300 Grad Celsius zu erhitzen. Dieser Prozess, bekannt als Mikrowellen-Sinterung, ist schneller und energieeffizienter als konventionelle Methoden. Die Wissenschaftler fügten der Mischung eine Substanz namens Ceroxid hinzu, um die gefährlichen, vierwertigen Aktinide in echtem radioaktivem Abfall zu repräsentieren. Indem sie beobachteten, wie sich das Cer unter verschiedenen Bedingungen innerhalb des Glases verhielt, wollten sie das perfekte Rezept finden, um den Abfall sicher einzuschließen.

Die Forscher fanden heraus, dass die Menge an Abfall, die das Glas aufnehmen konnte, stark von der während des Erhitzungsprozesses verwendeten Temperatur abhing. Bei einer niedrigeren Temperatur von 1100 Grad Celsius konnte das Glas nur etwa 5 Prozent des Ceroxids aufnehmen, bevor es den Überschuss abstieß. Wenn sie die Menge höher ansetzten, löste sich das überschüssige Material nicht im Glas auf, sondern bildete stattdessen winzige, separate Kristalle aus reinem Ceroxid. Als sie die Temperatur auf 1200 Grad erhöhten, wurde das Glas aufnehmender und hielt bis zu 9 Prozent des Zusatzstoffes aus. Bei der höchsten Temperatur von 1300 Grad konnte das Glas fast 14 Prozent aufnehmen, bevor es seine Grenze erreichte. Dies deutet darauf hin, dass eine intensivere Erhitzung des Materials hilft, die Atome gründlicher zu vermischen, wodurch das Glas eine größere Last aufnehmen kann, ohne seine Struktur zu brechen.

Innerhalb des Glases verhalten sich die Atome wie ein komplexes Netzwerk aus Ketten. Als die Forscher kleine Mengen des Abfalls hinzufügten, verteilten sich die Ceratome gleichmäßig und passten in die Lücken dieses Netzwerks. Sobald sie jedoch die spezifische Grenze für jede Temperatur überschritten, wurde das Glas gesättigt. Das überschüssige Cer konnte keinen Platz mehr im Netzwerk finden und begann zu klumpen, wodurch distinkte, kristalline Inseln innerhalb des festen Blocks entstanden. Das Team nutzte leistungsstarke Mikroskope, um diesen Übergang deutlich zu sehen. In Proben, die innerhalb der sicheren Grenzen blieben, sah das Material wie eine glatte, gleichmäßige Schicht aus. In Proben, die die Grenzen überschritten, konnten sie helle, kristalline Regionen sehen, in denen sich das Cer angesammelt hatte, umgeben von der Glasmatrix. Diese Trennung ist ein kritisches Warnsignal, da sie anzeigt, dass das Material nicht mehr eine einzige, feste Einheit ist, sondern eine Mischung aus verschiedenen Phasen, die möglicherweise weniger stabil ist.

Auch die chemische Zusammensetzung des Glases änderte sich, während mehr Abfall hinzugefügt wurde. Die Forscher beobachteten, dass das interne Netzwerk des Glases weniger vernetzt, oder „depolymerisiert“, wurde, während die Menge an Cer zunahm. Das bedeutet, dass die langen Atomketten, die dem Glas seine Stärke verleihen, durch die eingehenden Abfallatome aufgebrochen wurden. Interessanterweise half das Erhitzen des Materials auf höhere Temperaturen dabei, einige dieser Verbindungen zu bewahren, selbst wenn die Abfalllast hoch war. Diese strukturelle Resilienz ist entscheidend, da ein besser vernetztes Netzwerk besser in der Lage ist, die radioaktiven Atome festzuhalten und ein Austreten zu verhindern. Die Wissenschaftler stellten auch fest, dass die Ceratome innerhalb des Glases in zwei verschiedenen Formen, oder Valenzzuständen, existierten. Das Gleichgewicht zwischen diesen Formen verschob sich je nach Temperatur und Abfallmenge, was wiederum beeinflusste, wie gut das Glas das Material aufnehmen konnte.

Um zu testen, ob das Glas den Abfall tatsächlich sicher aufbewahren würde, unterzogen die Forscher die Proben einem strengen Auslaugungstest. Sie mahlten die festen Blöcke zu einem feinen Pulver und weichten sie über einen Monat lang in heißem Wasser ein, um die Bedingungen in einer feuchten Umgebung zu simulieren. Sie maßen, wie viel Cer über die Zeit in das Wasser austrat. Die Ergebnisse waren vielversprechend: Die Rate, mit der das Cer austrat, war extrem niedrig und lag zwischen einem Zehntausendstel und einem Millionstel Gramm pro Quadratmeter pro Tag. Wichtiger noch war, dass die Leckage mit der Zeit abnahm. In Proben, in denen der Abfall innerhalb der sicheren Grenzen gehalten wurde, war das Cer so fest eingeschlossen, dass es lange dauerte, bis das Wasser es erreichte. In Proben, bei denen die Grenze überschritten wurde, trat das Cer schneller und früher aus, weil die separaten Kristalle dem Wasser stärker ausgesetzt waren. Dies bestätigte, dass das Einhalten der spezifischen Belastungsgrenzen für die langfristige Sicherheit essenziell ist.

Die physikalischen Eigenschaften der fertigen Blöcke erzählten ebenfalls eine wichtige Geschichte. Die Forscher maßen, wie dicht das Glas wurde und wie viele winzige Luftlöcher, oder Poren, im Inneren zurückblieben. Sie fanden heraus, dass das Glas am dichtesten war und die wenigsten Poren aufwies, genau an dem Punkt, an dem es seine maximale Kapazität für die Aufnahme von Abfall erreichte. Wenn sie zu viel Abfall über diesen Punkt hinaus hinzufügten, wurde das Material poröser und weniger dicht, was es einfacher machen könnte, dass Wasser eindringt und die radioaktiven Elemente fortträgt. Dieser Befund verstärkt die Vorstellung, dass es einen „Sweet Spot“ für das Mischen des Abfalls und des Glases gibt. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Verwendung von elektronischem Glasabfall ein praktikabler Weg ist, um radioaktiven Schlamm zu immobilisieren, vorausgesetzt, Temperatur und Abfallmenge werden sorgfältig aufeinander abgestimmt. Durch das Finden des richtigen Gleichgewichts ist es möglich, einen soliden, langlebigen Block zu schaffen, der gefährliche Materialien sicher einschließt und so eine Form von Abfall in einen Schutzschild gegen eine andere verwandelt.