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

परमाणु ऊर्जा बिजली उत्पन्न करने का एक शक्तिशाली तरीका प्रदान करती है, लेकिन यह अपने पीछे एक कठिन विरासत छोड़ जाती है: रेडियोधर्मी कचरा। इस कचरे में से कुछ गाढ़ा, कीचड़ जैसा मिश्रण होता है जिसमें खतरनाक तत्व होते हैं जो हजारों वर्षों तक घातक बने रह सकते हैं। इस सामग्री को सुरक्षित रखने के लिए, वैज्ञानिकों को इसे एक ठोस ब्लॉक के भीतर कैद करना होगा जो सदियों तक जमीन के नीचे दबे रहने के बाद भी टूटे या लीक न हो। कांच लंबे समय से इस काम के लिए चुनी गई सामग्री रही है क्योंकि यह स्वाभाविक रूप से कठोर है और परमाणुओं को अपनी संरचना के भीतर बंद कर सकती है। हालांकि, ऐसा कांच बनाना जो बिना टूटे बड़ी मात्रा में कचरे को संभाल सके, एक नाजुक संतुलन है। यदि बहुत अधिक कचरा डाला जाता है, तो कांच अस्थिर हो जाता है, उसमें दरारें आ जाती हैं, या रेडियोधर्मी तत्वों को बाहर निकलने का रास्ता मिल जाता है। चुनौती उस सटीक बिंदु को खोजने की है जहाँ कांच अभी भी कचरे को सुरक्षित रूप से रख सके, एक ऐसी सीमा जो इस बात पर निर्भर करती है कि कांच कैसे बनाया गया है और वह किस चीज से बना है।

शेनझेन यूनिवर्सिटी और यूनिवर्सिटी ऑफ साउथ चाइना के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में एक अलग प्रकार के कचरे को समाधान में बदलकर इस समस्या का समाधान निकाला। उन्होंने इलेक्ट्रॉनिक सीलिंग ग्लास (इलेक्ट्रॉनिक सीलिंग कांच) का उपयोग किया, जो इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग का एक उपोत्पाद है और जिंक तथा बोरॉन से समृद्ध है, और इसका उपयोग रेडियोधर्मी कीचड़ के एक सिम्युलेटेड (कृत्रिम) संस्करण को कैद करने के लिए किया। इस मिश्रण को पारंपरिक भट्टी में पिघलाने के बजाय, उन्होंने सामग्री को 1100 से 1300 डिग्री सेल्सियस के बीच के तापमान तक तेजी से गर्म करने के लिए माइक्रोवेव ओवन का उपयोग किया। यह प्रक्रिया, जिसे माइक्रोवेव सिंटरिंग कहा जाता है, पारंपरिक तरीकों की तुलना में अधिक तेज़ और ऊर्जा-कुशल है। वैज्ञानिकों ने मिश्रण में सेरियम ऑक्साइड नामक पदार्थ मिलाया ताकि यह वास्तविक रेडियोधर्मी कचरे में पाए जाने वाले खतरनाक, चार-संयोजक एक्टिनाइड्स (four-valent actinides) का स्थान ले सके। कांच के भीतर विभिन्न परिस्थितियों में सेरियम के व्यवहार को देखकर, उनका लक्ष्य कचरे को सुरक्षित रूप से कैद करने के लिए सही रेसिपी खोजना था।

शोधकर्ताओं ने पाया कि कांच कितनी मात्रा में कचरा रख सकता है, यह काफी हद तक गर्म करने की प्रक्रिया के दौरान उपयोग किए गए तापमान पर निर्भर करता है। 1100 डिग्री सेल्सियस के निचले तापमान पर, कांच अतिरिक्त सामग्री को अस्वीकार करने से पहले केवल लगभग 5 प्रतिशत सेरियम ऑक्साइड को सोख सकता था। यदि उन्होंने मात्रा को इससे अधिक बढ़ाया, तो अतिरिक्त सामग्री कांच में घुलने के बजाय शुद्ध सेरियम ऑक्साइड के छोटे, अलग क्रिस्टल बना लेती थी। जब उन्होंने तापमान बढ़ाकर 1200 डिग्री कर दिया, तो कांच अधिक ग्रहणशील हो गया, और इसने 9 प्रतिशत एडिटीव (योज्य) को समाहित कर लिया। 1300 डिग्री के उच्चतम तापमान पर, कांच अपनी सीमा तक पहुँचने से पहले लगभग 14 प्रतिशत को रख सकता था। यह सुझाव देता है कि सामग्री को अधिक तीव्रता से गर्म करने से परमाणु आपस में अधिक अच्छी तरह से मिल जाते हैं, जिससे कांच अपनी संरचना को तोड़े बिना कचरे का बड़ा भार स्वीकार कर पाता है।

कांच के भीतर, परमाणु जंजीरों के एक जटिल नेटवर्क की तरह व्यवहार करते हैं। जब शोधकर्ताओं ने कचरे की छोटी मात्रा डाली, तो सेरियम परमाणु समान रूप से फैल गए और इस नेटवर्क के अंतराल में फिट हो गए। हालाँकि, जैसे ही उन्होंने प्रत्येक तापमान के लिए विशिष्ट सीमा को पार किया, कांच संतृप्त (saturated) हो गया। अतिरिक्त सेरियम नेटवर्क में जगह नहीं पा सका और ठोस ब्लॉक के भीतर अलग, क्रिस्टलीय द्वीपों के रूप में इकट्ठा होने लगा। टीम ने इस परिवर्तन को स्पष्ट रूप से देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया। उन नमूनों में जो सुरक्षित सीमाओं के भीतर थे, सामग्री एक चिकनी, एकसमान शीट की तरह दिखाई दी। उन नमूनों में, जहाँ सीमाओं का उल्लंघन हुआ था, वे चमकीले, क्रिस्टलीय क्षेत्रों को देख सके जहाँ सेरियम इकट्ठा हुआ था, जो कांच के मैट्रिक्स से घिरा हुआ था। यह अलगाव एक महत्वपूर्ण चेतावनी संकेत है, क्योंकि यह दर्शाता है कि सामग्री अब एक एकल, ठोस इकाई नहीं है बल्कि अलग-अलग चरणों (phases) का मिश्रण है जो समय के साथ कम स्थिर हो सकता है।

कचरा बढ़ने के साथ कांच की रासायनिक संरचना भी बदल गई। शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे-जैसे सेरियम की मात्रा बढ़ी, कांच का आंतरिक नेटवर्क कम जुड़ा हुआ, या "डिपॉलिमरलाइज्ड" (depolymerized) हो गया। इसका अर्थ है कि आने वाले कचरे के परमाणुओं द्वारा कांच को मजबूती देने वाली लंबी जंजीरों को तोड़ दिया गया। दिलचस्प बात यह है कि सामग्री को उच्च तापमान तक गर्म करने से इन कनेक्शनों को बनाए रखने में मदद मिली, भले ही कचरे का भार अधिक था। यह संरचनात्मक लचीलापन अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि एक अधिक जुड़ा हुआ नेटवर्क रेडियोधर्मी परमाणुओं को थामे रखने और उन्हें बाहर निकलने से रोकने में बेहतर होता है। वैज्ञानिकों ने यह भी नोट किया कि कांच के भीतर सेरियम परमाणु दो अलग-अलग रूपों, या संयोजकता अवस्थाओं (valence states), में मौजूद थे। तापमान और कचरे की मात्रा के आधार पर इन रूपों के बीच का संतुलन बदलता रहा, जिसने इस बात को और प्रभावित किया कि कांच सामग्री को कितनी अच्छी तरह से रख सकता है।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या कांच वास्तव में कचरे को सुरक्षित रखेगा, शोधकर्ताओं ने नमूनों को एक कठोर लीचिंग टेस्ट (leaching test) के अधीन किया। उन्होंने ठोस ब्लॉकों को बारीक पाउडर में पीस दिया और एक महीने से अधिक समय तक उन्हें गर्म पानी में भिगोया, जो एक गीले वातावरण की स्थितियों का अनुकरण करता है। उन्होंने मापा कि समय के साथ कितना सेरियम पानी में निकला। परिणाम उत्साहजनक थे: सेरियम के रिसाव की दर अत्यंत कम थी, जो एक दस हज़ारवें से एक मिलियनवें ग्राम प्रति वर्ग मीटर प्रति दिन के बीच रही। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि समय के साथ रिसाव की दर धीमी हो गई। उन नमूनों में, जहाँ कचरे को सुरक्षित सीमाओं के भीतर रखा गया था, सेरियम इतनी मजबूती से कैद था कि पानी को उस तक पहुँचने में लंबा समय लगा। जहाँ सीमा का उल्लंघन हुआ था, वहाँ सेरियम जल्दी और पहले लीक हुआ क्योंकि अलग क्रिस्टल पानी के संपर्क में अधिक थे। इसने पुष्टि की कि दीर्घकालिक सुरक्षा के लिए विशिष्ट लोडिंग सीमाओं के भीतर रहना आवश्यक है।

अंतिम ब्लॉकों के भौतिक गुणों ने भी एक महत्वपूर्ण कहानी बताई। शोधकर्ताओं ने मापा कि कांच कितना सघन (dense) हो गया और इसके भीतर कितने छोटे वायु छिद्र, या पोर्स (pores), बचे रहे। उन्होंने पाया कि कांच ठीक उसी बिंदु पर सबसे सघन था और इसमें सबसे कम छिद्र थे जहाँ इसने कचरे को धारण करने की अपनी अधिकतम क्षमता प्राप्त की थी। यदि उन्होंने उस बिंदु के आगे बहुत अधिक कचरा जोड़ा, तो सामग्री अधिक छिद्रपूर्ण और कम सघन हो गई, जिससे पानी के लिए प्रवेश करना और रेडियोधर्मी तत्वों को बहा ले जाना आसान हो सकता है। यह खोज इस विचार को पुख्ता करती है कि कचरे और कांच को मिलाने के लिए एक "स्वीट स्पॉट" (इष्टतम बिंदु) होता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि इलेक्ट्रॉनिक ग्लास का उपयोग रेडियोधर्मी कीचड़ को स्थिर करने का एक व्यवहार्य तरीका है, बशर्ते तापमान और कचरे की मात्रा को सावधानीपूर्वक मिलाया जाए। सही संतुलन खोजकर, एक ठोस, टिकाऊ ब्लॉक बनाना संभव है जो खतरनाक सामग्रियों को सुरक्षित रूप से कैद करता है, जिससे एक प्रकार के कचरे को दूसरे के विरुद्ध ढाल में बदला जा सकता है।