Experimental Study on Radiated Bentonite: Implications for the Long-Term Geological Storage of High-Level Nuclear Waste

सतही तूफानों और मानवीय गतिविधियों की पहुंच से बहुत दूर, जमीन के बहुत नीचे गहराई में, मानवता की सबसे स्थायी चुनौतियों में से एक का संभावित समाधान छिपा है: परमाणु ऊर्जा के अवशेषों को हजारों वर्षों तक सुरक्षित रूप से कैसे संग्रहीत किया जाए। इस योजना में इन सामग्रियों को स्टील के विशाल कंटेनरों, जिन्हें कैनिस्टर कहा जाता है, में पृथ्वी की गहराई में स्थित स्थिर चट्टानी संरचनाओं के भीतर दफनाने का प्रस्ताव है। हालांकि, केवल चट्टान सुरक्षा की गारंटी देने के लिए पर्याप्त नहीं है। गर्म, रेडियोधर्मी कैनिस्टर और आसपास की चट्टान के बीच, इंजीनियर बेंटोनाइट नामक एक विशेष मिट्टी की एक मोटी परत रखते हैं। यह मिट्टी एक सुरक्षात्मक बफर के रूप में कार्य करती है। जब यह पानी सोखती है, तो यह एक स्पंज की तरह फूल जाती है, जिससे हर छोटी दरार और अंतराल भर जाता है ताकि एक सख्त सील बन सके जो भूजल को अंदर आने और रेडियोधर्मी कणों को बाहर रिसने से रोक सके। इस प्रणाली को भूवैज्ञानिक समय के पैमाने पर काम करने के लिए, मिट्टी को उस तीव्र विकिरण के बावजूद स्थिर और प्रभावी रहना चाहिए जिसे वह अपने चारों ओर मौजूद कचरे से अवशोषित करेगी।

दशकों तक, वैज्ञानिक इस बात पर बहस करते रहे हैं कि क्या यह विकिरण अंततः मिट्टी की संरचना को तोड़ देगा, जिससे एक विश्वसनीय सील एक छिद्रपूर्ण, बेकार सामग्री में बदल जाएगी। कुछ अध्ययनों ने सुझाव दिया कि ऊर्जा की निरंतर बमबारी मिट्टी के आंतरिक बंधों को नुकसान पहुंचा सकती है, जबकि अन्य ने तर्क दिया कि यह काफी हद तक अप्रभावित रहेगी। इस अनिश्चितता को दूर करने के लिए, जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और किंग अब्दुल्ला यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक कठोर प्रयोग किया ताकि यह देखा जा सके कि वास्तव में क्या होता है जब बेंटोनाइट को वास्तविक परमाणु अपशिष्ट भंडार में अपेक्षित उच्च स्तर के विकिरण के संपर्क में लाया जाता है। वे कंप्यूटर मॉडल या अनुमानों पर निर्भर नहीं थे; उन्होंने मिट्टी के वास्तविक नमूने लिए, उन्हें शक्तिशाली विकिरण किरणों के संपर्क में लाया, और फिर किसी भी बदलाव को देखने के लिए उन्नत उपकरणों के एक समूह के साथ उनका परीक्षण किया।

शोधकर्ताओं ने वाणिज्यिक सोडियम बेंटोनाइट पाउडर के नमूने तैयार करके शुरुआत की, और उन्हें एल्युमीनियम कंटेनरों में कसकर भरा ताकि वे वास्तविक भूमिगत अवरोध में होने वाले घनत्व की नकल कर सकें। फिर उन्होंने इन कंटेनरों को विशेष सुविधाओं में भेजा ताकि उन्हें विकिरण दिया जा सके। कुछ नमूनों पर उच्च-ऊर्जा बीटा विकिरण का प्रहार किया गया, जो सामग्रियों की सतह की परतों को प्रभावित करता है, जबकि अन्य को गामा विकिरण से बमबारी दी गई, जो रेडियोधर्मी स्रोतों से उत्सर्जित होने वाली ऊर्जा का एक गहरा प्रवेश करने वाला रूप है। उन्होंने इन नमूनों को 100 से 2,000 किलोरे के चार अलग-अलग संचयी विकिरण स्तरों के संपर्क में रखा। इसे समझने के लिए, उन्होंने जो उच्चतम खुराक लागू की थी, वह परमाणु अपशिष्ट भंडार के पूरे डिजाइन जीवन के दौरान मिट्टी को मिलने वाले विकिरण से काफी अधिक थी, यहाँ तक कि कचरे के कैनिस्टर के ठीक बगल में भी। इसने यह सुनिश्चित किया कि यदि मिट्टी में कोई कमजोरी थी, तो प्रयोग उसे प्रकट कर देगा।

विकिरण उपचार के बाद, टीम ने मिट्टी के सबसे महत्वपूर्ण गुणों की जांच करने के लिए परीक्षणों की एक श्रृंखला आयोजित की। उन्होंने एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके सतह की रासायनिक संरचना की जांच की, जो एक रासायनिक फिंगरप्रिंट रीडर की तरह कार्य करती है, और पाया कि मिट्टी को बनाने वाले तत्वों में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं हुआ है। उन्होंने सामग्री के भीतर रासायनिक बंधों के कंपन को सुनने के लिए इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि परमाणुओं के बीच के मौलिक संबंध बरकरार हैं। उन्होंने नमूनों को गर्म किया ताकि यह देखा जा सके कि उनसे पानी कैसे वाष्पित होता है, जो एक प्रक्रिया है जो बताती है कि मिट्टी नमी को कितनी मजबूती से पकड़ती है, और पाया कि विकिरणित मिट्टी बिना उपचारित मिट्टी के समान ही व्यवहार करती थी। यहाँ तक कि जब उन्होंने मिट्टी के कणों पर विद्युत आवेश को मापा और पानी में उनकी गति को देखा, तो परिणामों ने दिखाया कि मिट्टी की अन्य कणों को प्रतिकर्षित करने और बिखरे रहने की क्षमता मजबूत बनी रही।

शायद सबसे महत्वपूर्ण परीक्षण मिट्टी के फूलने को देखना था। शोधकर्ताओं ने मिट्टी को सिलेंडरों में भरा और उसे पानी सोखने दिया, जिससे समय के साथ इसके विस्तार को मापा गया। उन्होंने पाया कि विकिरण ने मिट्टी को फूलने से नहीं रोका; वास्तव में, अत्यधिक विकिरणित नमूनों ने बिना उपचारित नमूनों के समान या उससे भी थोड़ा अधिक विस्तार किया। उन्होंने पानी के अणुओं की मिट्टी के भीतर गति को ट्रैक करने के लिए न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस नामक तकनीक का भी उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि विकिरण ने मिट्टी और पानी के बीच के व्यवहार को नहीं बदला है। अंत में, उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे मिट्टी को सूखे पाउडर और एक बिखरे हुए निलंबन (सस्पेंशन) दोनों रूपों में देखा, और मिट्टी के एग्रीगेट्स के आकार या आकृति में कोई अंतर नहीं पाया। मिट्टी के छोटे प्लेटलेट्स न तो टूटे और न ही उनकी व्यवस्था बदली।

अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि बेंटोनाइट असाधारण रूप से लचीला है। वास्तविक भंडारण सुविधा में सामना किए जाने वाले विकिरण स्तरों से कहीं अधिक खुराक के बावजूद, मिट्टी ने अपनी खनिज संरचना, पानी धारण करने की क्षमता और फूलने की क्षमता को बनाए रखा। शोधकर्ताओं ने पाया कि विकिरण अकेले मिट्टी की सीलिंग क्षमता को नष्ट करने में सक्षम नहीं है। जबकि अन्य कारक, जैसे कि कचरे के कैनिस्टर के पास अत्यधिक गर्मी, अभी भी चुनौतियां पैदा कर सकते हैं, लेकिन यह डर कि विकिरण चुपचाप मिट्टी की सीलिंग क्षमता को नष्ट कर देगा, निराधार प्रतीत होता है। यह कार्य इस बात का पुख्ता आश्वासन प्रदान करता है कि बेंटोनाइट उच्च-स्तरीय परमाणु कचरे के लिए एक विश्वसनीय, दीर्घकालिक संरक्षक के रूप में कार्य कर सकता है, जो गहरे भूगर्भीय भंडारण में अपेक्षित सबसे चरम स्थितियों में भी अपनी अखंडता बनाए रखता है।