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

원자력 에너지는 전기를 생성하는 강력한 방법을 제공하지만, 어려운 유산을 남깁니다: 바로 방사성 폐기물입니다. 이 폐기물 중 일부는 위험한 원소들을 포함하고 있는 걸쭉하고 진흙 같은 형태의 혼합물이며, 이는 수천 년 동안 위험할 수 있습니다. 이 물질을 안전하게 보관하기 위해, 과학자들은 이 물질이 수 세기 동안 땅속 깊이 묻혀 있더라도 부서지거나 새어 나오지 않는 단단한 블록 안에 가두어야 합니다. 유리는 본래 매우 견고하며 그 구조 안에 원자들을 가둘 수 있기 때문에 오랫동안 이 작업에 적합한 재료로 선택되어 왔습니다. 하지만, 파손되지 않으면서도 많은 양의 폐기물을 담을 수 있는 유리를 만드는 것은 섬세한 균형 잡기입니다. 만약 너무 많은 폐기물이 추가되면, 유리는 불안정해지거나 금이 가거나, 혹은 방사성 원소들이 빠져나가게 됩니다. 과제는 유리가 폐기물을 여전히 안전하게 보유할 수 있는 정확한 지점, 즉 유리가 어떻게 만들어지고 무엇으로 만들어지는지에 따라 달라지는 한계점을 찾는 것입니다.

심천 대학교와 화남 대학교의 연구팀은 최근 다른 종류의 폐기물을 해결책으로 활용하여 이 문제를 해결했습니다. 그들은 아연과 붕소가 풍부한 전자 산업의 부산물인 폐전자 밀봉 유리(electronic sealing glass)를 가져와, 실제 방사성 슬러지를 모사한 물질을 가두는 데 사용했습니다. 이 혼합물을 전통적인 용광로에서 녹이는 대신, 그들은 마이크로파 오븐을 사용하여 물질을 1100도에서 1300도 사이의 온도로 빠르게 가열했습니다. 마이크로파 소결(microwave sintering)이라고 알려진 이 공정은 기존 방식보다 더 빠르고 에너지 효율적입니다. 과학자들은 실제 방사성 폐기물에 들어 있는 위험한 4가 액티나이드를 대신하기 위해 세륨 산화물이라는 물질을 혼합물에 추가했습니다. 그들은 다양한 조건에서 유리 내부에서 세륨이 어떻게 행동하는지 관찰함으로써, 폐기물을 안전하게 가두기 위한 완벽한 레시피를 발견하고자 했습니다.

연구진은 유리가 담을 수 있는 폐기물의 양이 가열 과정에서 사용된 온도에 크게 의존한다는 것을 발견했습니다. 1100도의 낮은 온도에서는 유리가 과잉 성분을 거부하기 전까지 약 5%의 세륨 산화물만을 흡수할 수 있었습니다. 만약 이 양을 더 높이면, 추가된 물질은 유리 속으로 녹아들지 못하고 순수한 세륨 산화물의 미세한 별도 결정체를 형성했습니다. 온도를 1200도로 높였을 때, 유리는 더 수용적이 되어 첨가물을 최대 9%까지 보유할 수 있었습니다. 가장 높은 온도인 1300도에서는 유리가 한계에 도달하기 전까지 거의 14%를 보유할 수 있었습니다. 이는 재료를 더 강렬하게 가열하는 것이 원자들을 더 철저하게 혼합하도록 도와, 구조를 깨뜨리지 않고도 더 많은 양의 폐기물을 받아들일 수 있게 함을 시사합니다.

유리 내부에서 원자들은 복잡한 사슬 네트워크처럼 행동합니다. 연구진이 적은 양의 폐기물을 추가했을 때, 세륨 원자들은 이 네트워크의 틈새에 고르게 퍼져 들어갔습니다. 그러나 특정 한계를 넘어서면 유리는 포화 상태가 되었습니다. 과잉된 세륨은 더 이상 네트워크 안에서 자리를 찾지 못하고 뭉치기 시작하여, 단단한 블록 내부에 뚜렷한 결정질 섬들을 형성했습니다. 연구팀은 이 전이 과정을 명확히 보기 위해 강력한 현미경을 사용했습니다. 안전 한계 내에 머무는 샘플들은 매끄럽고 균일한 시트처럼 보였습니다. 반면, 한계를 초과한 샘플에서는 세륨이 모여 있는 밝은 결정 영역이 유리 기질(matrix)에 둘러싸여 있는 것을 볼 수 있었습니다. 이러한 분리는 중요한 경고 신호인데, 이는 해당 물질이 더 이상 단일한 고체가 아니라 시간이 지남에 따라 덜 안정적일 수 있는 서로 다른 상(phase)들의 혼합물임을 나타내기 때문입니다.

유리의 화학적 구성 또한 폐기물이 추가됨에 따라 변화했습니다. 연구진은 세륨의 양이 증가함에 따라 유리의 내부 네트워크가 덜 연결되거나 "탈중합(depolymerized)"되는 것을 관찰했습니다. 이는 유리에 힘을 부여하는 긴 원자 사슬들이 유입된 폐기물 원자들에 의해 끊어지고 있음을 의미합니다. 흥란하게도, 재료를 높은 온도로 가열하는 것은 폐기물 부하가 높을 때도 이러한 연결성을 보존하는 데 도움이 되었습니다. 이러한 구조적 탄력성은 매우 중요한데, 왜냐하면 더 연결된 네트워크가 방사성 원자를 붙잡고 폐기물이 새어 나오는 것을 방지하는 데 더 유리하기 때문입니다. 과학자들은 또한 세륨 원자가 유리 내부에서 두 가지 다른 형태, 즉 원자가 상태(valence states)로 존재한다는 점을 주목했습니다. 이 형태들 사이의 균형은 온도와 폐기물 양에 따라 변하며, 유리가 물질을 얼마나 잘 보유하는지에 더욱 영향을 미쳤습니다.

유리가 실제로 폐기물을 안전하게 유지할 수 있는지 테스트하기 위해, 연구진은 샘플들을 엄격한 침출 시험(leaching test)에 노출시켰습니다. 그들은 단단한 블록들을 미세한 가루로 갈아낸 뒤, 습한 환경을 모사하여 한 달 이상 뜨거운 물에 담가 두었습니다. 그리고 시간이 지남에 따라 세륨이 물로 얼마나 흘러나오는지 측정했습니다. 결과는 유망했습니다: 세륨이 누출되는 속도는 매우 낮았으며, 하루에 제곱미터당 0.0001에서 0.000001 그램 사이를 유지했습니다. 더 중요한 것은 시간이 지날수록 누출이 느려졌다는 점입니다. 폐기물이 안전 한계 내에 유지된 샘플의 경우, 세륨이 매우 단단히 잠겨 있어 물이 그것에 도달하는 데 오랜 시간이 걸렸습니다. 한계를 초과한 샘플의 경우, 별도의 결정들이 물에 더 많이 노출되어 있었기 때문에 세륨이 더 빠르고 일찍 누출되었습니다. 이는 특정 적재 한계를 준수하는 것이 장기적인 안전을 위해 필수적임을 확인시켜 주었습니다.

최종 블록의 물리적 특성 또한 중요한 이야기를 들려주었습니다. 연구진은 유리의 밀도를 측정하고 내부에 남아 있는 미세한 공기 구멍, 즉 기공(pore)의 수를 측정했습니다. 그들은 유리가 폐기물을 보유할 수 있는 최대 용량에 도달하는 지점 근에서 가장 밀도가 높고 기공이 가장 적다는 것을 발견했습니다. 만약 그 지점을 넘어 너무 많은 폐기물을 추가하면, 재료는 더 다공성이 되고 밀도가 낮아졌는데, 이는 물이 침투하여 방사성 원소를 실어 나르기 쉽게 만들 수 있습니다. 이 발견은 폐기물과 유리를 혼합하는 데 있어 "스위트 스팟(최적의 지점)"이 존재한다는 생각을 뒷받령합니다. 연구는 사용된 전자 유리가 온도와 폐기물 양을 정밀하게 맞춘다면 방사성 슬러지를 고형화하는 데 실행 가능한 방법이라는 결론을 내립니다. 적절한 균형을 찾음으로써, 위험한 물질을 안전하게 가두는 견고하고 내구성이 있는 블록을 만들어, 한 형태의 폐기물을 다른 형태의 방패로 바꿀 수 있습니다.