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

原子力エネルギーは、電力を生成するための強力な手段を提供しますが、同時に困難な遺産も残します。それは放射性廃棄物です。この廃棄物の中には、数千年にわたって危険であり続ける可能性のある、危険な元素を含む厚い泥状の混合物もあります。この物質を安全に保管するために、科学者たちは、たとえ地下深く数世紀にわたって埋められても、崩れたり漏れ出したりしない強固なブロックの中に、それを閉じ込めなければなりません。ガラスは、その性質として自然に頑丈であり、その構造の中に原子を閉じ込めることができるため、長らくこの仕事における最適な材料として選ばれてきました。しかし、壊れることなく大量の廃棄物を保持できるガラスを作ることは、繊細なバランス調整を必要とします。もし廃棄物を加えすぎると、ガラスは不安定になり、ひび割れたり、放射性元素が漏れ出したりするようになります。課題は、ガラスが依然として安全に廃棄物を保持できる正確な地点、すなわち、どのように作られ、何から作られるかによって変化する限界点を見つけ出すことです。

深セン大学と華南理工大学の研究チームは最近、別の種類の廃棄物を解決策へと変えることで、この問題に取り組みました。彼らは、電子産業の副産物であり、亜鉛とホウ素を豊富に含む廃棄された電子用シーリングガラスを取り出し、それを使って放射性泥状物の模擬版を閉じ込めました。この混合物を伝統的な炉で溶かす代わりに、彼らはマイクロ波オーブンを使用して、材料を1100度から1300度の温度まで急速に加熱しました。マイクロ波焼結として知られるこのプロセスは、従来の方法よりも高速でエネルギー効率が高いものです。科学者たちは、実際の放射性廃棄物に含まれる危険な4価のアクチニドの代わりとして、セリウム酸化物と呼ばれる物質を混合物に加えました。彼らは、異なる条件下でセリウムがガラスの中でどのように振る舞うかを観察することで、廃棄物を安全に封じ込めるための完璧なレシピを見つけ出すことを目的としました。

研究者たちは、ガラスが保持できる廃棄物の量は、加熱プロセスで使用される温度に大きく依存することを発見しました。1100度という低い温度では、ガラスは添加物が余剰となる前に、セリウム酸化物を約5パーセントしか吸収できませんでした。もし量を増やしすぎると、余分な材料はガラスの中に溶け込むのではなく、純粋なセリウム酸化物の小さな別個の結晶を形成しました。温度を1200度に上げると、ガラスはより寛容になり、添加物を最大9パーセントまで保持できるようになりました。最高温度の1300度では、ガラスは限界に達するまで、ほぼ14パーセントもの量を保持することができました。これは、材料をより激しく加熱することが、原子同士のより徹底的な混合を助け、構造を壊すことなく、より多くの廃棄物の負荷を受け入れることを可能にしていることを示唆しています。

ガラスの内部では、原子は複雑な鎖のネットワークのように振る舞います。研究者が少量の廃棄物を加えると、セリウム原子は均一に広がり、このネットワークの隙間に収まります。しかし、一度それぞれの温度における特定の限界を超えると、ガラスは飽和状態になります。余剰となったセリウムは、ネットワークの中に居場所を見つけることができず、凝集して、固体のブロックの中に明確な結晶の島を形成し始めます。チームは強力な顕微鏡を使用して、この変化を明確に観察しました。安全な限界内に留まったサンプルでは、材料は滑らかで均一なシートのように見えました。限界を超えたサンプルでは、セリウムが集まった明るい結晶領域が、ガラスのマトリックスに囲まれて見えることが確認できました。この分離は重要な警告サインであり、材料がもはや単一の固形ユニットではなく、時間の経過とともに不安定になる可能性のある異なる相の混合物であることを示しています。

ガラスの化学的組成も、廃棄物が加えられるにつれて変化しました。研究者たちは、セリウムが増加するにつれて、ガラスの内部ネットワークが結合力を失い、「脱重合」していく様子を観察しました。これは、ガラスに強度を与える原子の長い鎖が、流入してくる廃棄物の原子によって断ち切られていることを意味します。興味深いことに、材料をより高い温度に加熱することは、廃棄物の負荷が高くなった場合でも、これらの結合を維持するのに役立ちました。この構造的な回復力は極めて重要です。なぜなら、より結合したネットワークの方が、放射性原子を保持し、漏れ出るのを防ぐのに優れているからです。また、科学者たちは、セリウムの原子がガラスの中で2つの異なる形態、すなわち原子価の状態として存在していることも指摘しました。これら2つの形態のバランスは、温度と廃棄物の量に応じて変化し、材料を保持する能力にさらなる影響を与えました。

作成したガラスが実際に廃棄物を守ることができるかどうかをテストするために、研究者たちは厳格な浸出試験を行いました。彼らは固体のブロックを細かい粉末状にし、湿潤環境をシミュレートするために、1ヶ月以上にわたって熱水に浸しました。そして、セリウムがどれだけの時間で水中に漏れ出したかを測定しました。結果は有望なものでした。セリウムの漏出率は極めて低く、1平方メートルあたり1日あたり0.0001グラムから0.000001グラムの間にとどまりました。さらに重要なことに、時間の経過とともに漏出は緩やかになりました。廃棄物が安全な限界内に保たれていたサンプルでは、セリウムは非常に強固に閉じ込められていたため、水がそれに到達するまでに長い時間を要しました。限界を超えたサンプルでは、別個の結晶が水にさらされやすいため、セリウムの漏出はより早く、より早期に発生しました。これは、長期的な安全性を確保するためには、特定の積載限界を守ることが不可欠であることを裏付けました。

最終的なブロックの物理的特性も、重要な物語を伝えています。研究者たちは、ガラスがどの程度高密度になったか、そして内部にどれだけの小さな空気の隙間（細孔）が残っているかを測定しました。彼らは、廃棄物を保持する最大容量に達した直後の段階で、ガラスが最も高密度であり、細孔が最も少ないことを見出しました。もしその点を超えて廃棄物を加えすぎると、材料はより多孔質になり、密度が低下します。これは、水が浸入して放射性元素を運び去ることを容易にする可能性があります。この発見は、廃棄物とガラスの混合には「スイートスポット（最適点）」が存在するという考えを補強するものです。本研究は、温度と廃棄物の量を注意深く一致させれば、廃棄物としての電子ガラスを使用することが、放射性泥状物を固定化するための実行可能な方法であると結論付けています。適切なバランスを見つけることで、危険な材料を安全に閉じ込める、耐久性のある強固なブロックを作ることが可能になります。つまり、ある形の廃棄物を、別の形に対する盾へと変えることができるのです。