Изотопы бора показывают, как со временем медленно растворяется стекло для ядерных отходов

Новое исследование показало, как крошечные различия в атомах бора помогают ученым точнее прогнозировать долгосрочное поведение стекла, используемого для хранения опасных отходов. Результаты, опубликованные в Environmental and Biogeochemical Processes, могут улучшить прогнозы высвобождения радиоактивных материалов из хранилищ в течение тысяч лет.

Стекло часто используется для иммобилизации загрязнителей, таких как радионуклиды и тяжелые металлы, надежно запирая их внутри стабильной структуры. Однако, когда грунтовые воды просачиваются в места захоронения, стекло может постепенно растворяться. Понимание этого процесса крайне важно для обеспечения безопасности геологических хранилищ отходов.

Исследователи из Пекинского университета, Кембриджского университета и партнерских институтов использовали «отпечатки пальцев» изотопов бора, чтобы проследить, как бор перемещается в процессе растворения стекла. В лабораторных экспериментах два типа боросиликатного стекла — с магнием и без него — помещали в чистую воду при 90 °C на срок до 112 дней.

Измерения изотопов бора показали, что на ранних стадиях бор высвобождался равномерно с поверхности стекла. Со временем диффузия через измененный поверхностный слой стала ключевым механизмом, контролирующим высвобождение. В стекле с магнием образование вторичных минералов замедляло растворение, создавая плотный защитный слой. В отличие от этого, стекло без магния образовывало поверхностный слой, который почти не обеспечивал защиты, позволяя бору продолжать диффундировать наружу.

«Изотопы бора предоставляют чувствительный и прямой индикатор того, как стекло отходов взаимодействует с водой, — сказал ведущий автор Томас Л. Гут. — Они помогают выявить, когда стекло растворяется равномерно, а когда процесс начинает контролироваться диффузией через преобразованный поверхностный слой».

Исследование предлагает новый подход для мониторинга и моделирования коррозии стекла в экологическом менеджменте и управлении ядерными отходами. Определяя, как изотопные сигнатуры меняются со старением стекла, ученые могут точнее оценивать долгосрочное высвобождение загрязнителей в системы грунтовых вод.