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

Kernenergie biedt een krachtige manier om elektriciteit op te wekken, maar laat een moeilijk erfgoed achter: radioactief afval. Sommige van dit afval is een dikke, slibachtige substantie die gevaarlijke elementen bevat die duizenden jaren lang gevaarlijk kunnen blijven. Om dit materiaal veilig te houden, moeten wetenschappers het insluiten in een solide blok dat niet zal verbrokkelen of lekken, zelfs niet wanneer het eeuwenlang diep onder de grond begraven ligt. Glas is al lange tijd het materiaal van keuze voor deze taak, omdat het van nature taai is en atomen binnen zijn structuur kan opsluiten. Het maken van glas dat een grote hoeveelheid afval kan bevatten zonder uit elkaar te vallen, is echter een delicaat evenwicht. Als er te veel afval wordt toegevoegd, wordt het glas instabiel, ontstaan er barsten of ontsnappen de radioactieve elementen. De uitdaging is om het exacte punt te vinden waarop het glas het afval nog steeds veilig kan vasthouden, een limiet die verandert afhankelijk van hoe het glas wordt gemaakt en waarvan het is gemaakt.

Een team onderzoekers van de Shenzhen University en de University of South China heeft dit probleem onlangs aangepakt door een ander soort afval in een oplossing te veranderen. Ze namen weggegooid elektronisch verzegelingsglas, een bijproduct van de elektronica-industrie dat rijk is aan zink en boor, en gebruikten dit om een gesimuleerde versie van radioactief slib op te sluiten. In plaats van het mengsel in een traditionele oven te smelten, gebruikten ze een magnetron om het materiaal snel te verhitten tot temperaturen tussen de 1100 en 1300 graden Celsius. Dit proces, bekend als microgolf-sinteren, is sneller en energie-efficiënter dan conventionele methoden. De wetenschappers voegden een stof genaamd ceriumoxide toe aan het mengsel om de gevaarlijke, vierwaardige actiniden die in echt radioactief afval worden gevonden, te simuleren. Door te observeren hoe het cerium zich binnen het glas gedroeg onder verschillende omstandigheden, wilden ze het perfecte recept ontdekken om het afval veilig op te sluiten.

De onderzoekers ontdekten dat de hoeveelheid afval die het glas kon bevatten, sterk afhing van de temperatuur die werd gebruikt tijdens het verhittingsproces. Bij een lagere temperatuur van 1100 graden Celsius kon het glas slechts ongeveer 5 procent van het ceriumoxide absorberen voordat het het overtollige materiaal begon af te stoten. Als zij de hoeveelheid hoger opdreven, zou het extra materiaal niet oplossen in het glas, maar in plaats daarvan kleine, aparte kristallen van puur ceriumoxide vormen. Toen zij de temperatuur verhoogden naar 1200 graden, werd het glas toleranter en kon het tot 9 procent van de toevoeging bevatten. Bij de hoogste temperatuur van 1300 graden kon het glas bijna 14 procent bevatten voordat het zijn limiet bereikte. Dit suggereert dat het intensiever verhitten van het materiaal helpt om de atomen grondiger te mengen, waardoor het glas een grotere lading afval kan accepteren zonder zijn structuur te breken.

Binnen het glas gedragen de atomen zich als een complex netwerk van ketens. Wanneer de onderzoekers kleine hoeveelheden afval toevoegden, verspreidden de ceriumatomen zich gelijkmatig en pasten ze in de openingen van dit netwerk. Echter, zodra ze de specifieke limiet voor elke temperatuur overschreden, raakte het glas verzadigd. Het overtollige cerium kon geen plek meer vinden in het netwerk en begon samen te klonteren, waardoor er duidelijke, kristallijne eilanden binnen het solide blok ontstonden. Het team gebruikte krachtige microscopen om deze overgang duidelijk te zien. In monsters die binnen de veilige limieten bleven, zag het materiaal eruit als een gladde, uniforme laag. In monsters waar de limieten werden overschreden, konden ze heldere, kristallijne regio's zien waar het cerium zich had verzameld, omringd door de glazen matrix. Deze scheiding is een kritiek waarschuwingssignaal, aangezien het aangeeft dat het materiaal niet langer een enkel, solide eenheid is, maar een mengsel van verschillende fasen dat minder stabiel kan zijn over de tijd.

De chemische samenstelling van het glas veranderde ook naarmate er meer afval werd toegevoegd. De onderzoekers observeerden dat het interne netwerk van het glas minder verbonden, of "depolymeriseerd", raakte naarmate de hoeveelheid cerium toenam. Dit betekent dat de lange ketens van atomen die het glas zijn kracht geven, werden afgebroken door de binnenkomende afvalatomen. Interessant genoeg hielp het verhitten van het materiaal naar hogere temperaturen om sommige van deze verbindingen te behouden, zelfs wanneer de afvallast hoog was. Deze structurele veerkracht is essentieel omdat een meer verbonden netwerk beter in staat is om de radioactieve atomen vast te houden en het lekken ervan te voorkomen. De wetenschappers merkten ook op dat de ceriumatomen in twee verschillende vormen, of valentietoestanden, binnen het glas bestonden. Het evenwicht tussen deze vormen verschoof afhankelijk van de temperatuur en de hoeveelheid afval, wat de mate waarin het glas het materiaal kon vasthouden verder beïnvloedde.

Om te testen of het glas het afval daadwerkelijk veilig zou houden, onderwierpen de onderzoekers de monsters aan een strenge uitloogtest. Ze maalden de solide blokken tot een fijn poeder en weekten ze meer dan een maand lang in heet water, om de omstandigheden van een natte omgeving te simuleren. Ze maten hoeveel cerium er in de loop van de tijd in het water ontsnapte. De resultaten waren veelbelovend: de snelheid waarmee het cerium uitlekte was extreem laag, tussen één tienduizendste en één miljoenste van een gram per vierkante meter per dag. Belangrijker nog, het lekken vertraagde naarmate de tijd verstreek. In monsters waar het afval binnen de veilige limieten werd gehouden, was het cerium zo stevig opgesloten dat het lang duurde voordat water erbij kon komen. In monsters waar de limiet werd overschreden, lekte het cerium sneller en eerder uit omdat de aparte kristallen meer blootgesteld waren aan het water. Dit bevestigde dat het binnen de specifieke laadlimieten blijven essentieel is voor de veiligheid op lange termijn.

De fysieke eigenschappen van de uiteindelijke blokken vertelden ook een belangrijk verhaal. De onderzoekers maten hoe dicht het glas werd en hoeveel kleine luchtzakken, of poriën, erin achterbleven. Ze ontdekten dat het glas het dichtst was en de minste poriën had rond het punt waarop het zijn maximale capaciteit voor het bevatten van afval bereikte. Als zij te veel afval toevoegden voorbij dat punt, werd het materiaal poreuzer en minder dicht, wat het gemakkelijker zou kunnen maken voor water om door te dringen en de radioactieve elementen mee te voeren. Deze bevinding versterkt het idee dat er een "sweet spot" is voor het mengen van het afval en het glas. De studie concludeert dat het gebruik van elektronisch glasafval een levensvatbare manier is om radioactief slib te immobiliseren, mits de temperatuur en de hoeveelheid afval zorgvuldig op elkaar worden afgestemd. Door het juiste evenwicht te vinden, is het mogelijk om een solide, duurzaam blok te creëren dat gevaarlijke materialen veilig opsluit, waardoor één vorm van afval wordt omgezet in een schild tegen een andere.