Материалы, которые Соединенные Штаты и другие страны планируют использовать для хранения высокоактивных ядерных отходов, вероятно, будут разлагаться быстрее, чем кто-либо знал ранее, из-за того, как эти материалы взаимодействуют, как показывают новые исследования.
Выводы, опубликованные сегодня в журнале Nature Materials, показывают, что коррозия материалов для хранения ядерных отходов ускоряется из-за изменений в химическом составе раствора ядерных отходов и из-за того, как материалы взаимодействуют друг с другом.
«Это указывает на то, что нынешних моделей может быть недостаточно для безопасного хранения этих отходов», - сказал Сяолэй Го, ведущий автор исследования и заместитель директора Центра разработки и проектирования форм и контейнеров для ядерных отходов штата Огайо., часть инженерного колледжа университета. «И это показывает, что нам необходимо разработать новую модель хранения ядерных отходов».
Исследования группы были сосредоточены на материалах для хранения высокоактивных ядерных отходов, в первую очередь оборонных отходов, наследия производства ядерного оружия в прошлом. Отходы высокорадиоактивны. В то время как некоторые виды отходов имеют период полураспада около 30 лет, другие - например, плутоний - имеют период полураспада, который может составлять десятки тысяч лет. Период полураспада радиоактивного элемента - это время, необходимое для распада половины вещества.
В настоящее время в Соединенных Штатах нет места для захоронения этих отходов; по данным Главного бухгалтерского управления США, он обычно хранится рядом с заводами, на которых он производится. Для Юкка-Маунтин в Неваде было предложено постоянное место, но планы застопорились. Страны всего мира спорят о том, как лучше всего обращаться с ядерными отходами; только одна страна, Финляндия, приступила к строительству долговременного хранилища для высокоактивных ядерных отходов.
Но долгосрочный план утилизации и хранения отходов оборонного назначения высокого уровня по всему миру в основном одинаков. Он включает в себя смешивание ядерных отходов с другими материалами для образования стекла или керамики, а затем помещение этих кусочков стекла или керамики - теперь уже радиоактивных - в металлические контейнеры. Затем канистры будут закопаны глубоко под землей в хранилище, чтобы изолировать их.
В этом исследовании исследователи обнаружили, что при воздействии водной среды стекло и керамика взаимодействуют с нержавеющей сталью, что ускоряет коррозию, особенно стекла и керамических материалов, содержащих ядерные отходы.
Исследование качественно измерило разницу между ускоренной и естественной коррозией материалов для хранения. Гуо назвал это «серьезным».
«В реальных условиях стеклянные или керамические формы отходов будут находиться в тесном контакте с канистрами из нержавеющей стали. При определенных условиях коррозия нержавеющей стали сойдет с ума», - сказал он. «Это создает сверхагрессивную среду, которая может разъедать окружающие материалы».
Чтобы проанализировать коррозию, исследовательская группа прижала стеклянные или керамические «формы отходов» - формы, в которые инкапсулированы ядерные отходы - к нержавеющей стали и погрузила их в растворы на срок до 30 дней в условиях, имитирующих условия Юкка-Маунтин, предполагаемое хранилище ядерных отходов.
Эти эксперименты показали, что, когда стекло и нержавеющая сталь прижимались друг к другу, коррозия нержавеющей стали была «сильной» и «локальной», согласно исследованию. Исследователи также отметили трещины и усиленную коррозию на частях стекла, которые контактировали с нержавеющей сталью.
Часть проблемы лежит в периодической таблице. Нержавеющая сталь изготавливается в основном из железа, смешанного с другими элементами, включая никель и хром. Железо имеет химическое сродство с кремнием, который является ключевым элементом стекла.
Эксперименты также показали, что, когда керамика - еще один потенциальный контейнер для ядерных отходов - была прижата к нержавеющей стали в условиях, имитирующих условия под горой Юкка, и керамика, и нержавеющая сталь подверглись "сильной локальной" коррозии.