핵 폐기물에 대한 유리 솔루션

고대 유리는 역사가와 고고학자들의 관심사일 뿐만 아니라 유리화된 핵 폐기물의 내구성을 이해하는 열쇠가 될 수도 있습니다. 레이첼 브라질 조사

파라오 투탕카멘의 황금 데스마스크는 세계에서 가장 유명한 역사적 유물 중 하나입니다. 젊은 왕의 빛나는 얼굴은 기원전 1325년경으로 거슬러 올라가며 때로는 청금석으로 묘사되는 파란색 띠가 특징입니다. 그러나 눈에 띄는 장식은 고대 이집트에서 선호되었던 준보석이 아니라 실제로는 색유리였습니다.

왕족에게 가치가 있다고 여겨지는 탐내고 매우 귀중한 재료인 유리는 한때 보석과 동등하게 여겨졌으며, 고대 유리의 예는 투탕카멘보다 훨씬 더 오래 전으로 거슬러 올라갑니다. 실제로 고고학자와 과학자들이 발굴하고 분석한 샘플을 통해 유리 생산이 어디서, 어떻게 시작되었는지 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다. 그러나 놀랍게도 핵폐기물을 안전하게 보관하는 방법을 찾는 다른 과학자 그룹에서도 고대 유리를 연구하고 있습니다.

내년에 미국은 제2차 세계대전과 냉전 기간 동안 핵무기용 플루토늄을 생산했던 워싱턴 주의 폐기 시설인 핸포드 현장(Hanford Site)에 있는 177개의 지하 저장 탱크에 현재 보관되어 있는 기존 핵 폐기물의 일부를 유리화하기 시작할 것입니다. 그러나 핵폐기물을 유리로 변환하거나 유리화하는 아이디어는 방사성 원소를 가두어 누출을 방지하는 방법으로 1970년대부터 개발되었습니다.

핵폐기물은 일반적으로 방사능에 따라 저준위, 중준위, 고준위로 분류됩니다. 일부 국가에서는 저준위 및 중준위 폐기물을 유리화하는 반면, 이 방법은 원자로 노심에서 생성되는 핵분열 생성물과 반감기가 긴 초우라늄 원소를 포함하는 고준위 액체 폐기물을 고정화하는 데 주로 사용됩니다. 이러한 유형의 폐기물은 자체와 주변 환경을 상당히 가열할 만큼 방사능이 높기 때문에 적극적인 냉각 및 차폐가 필요합니다.

유리화 공정 전에 액체 폐기물을 건조(또는 하소)하여 분말을 형성합니다. 그런 다음 이를 거대한 제련소의 용융 유리에 넣고 스테인리스 스틸 용기에 붓습니다. 혼합물이 냉각되어 단단한 유리가 형성되면 용기를 용접하여 닫고 저장 준비를 합니다. 현재는 깊은 지하 시설에서 이러한 작업을 수행합니다. 그러나 유리화된 핵 폐기물의 내구성을 연구하고 있는 영국 셰필드 대학의 연구원인 Clare Thorpe에 따르면 유리는 단지 장벽만 제공하는 것은 아닙니다. "그보다 낫네요. 노폐물이 유리의 일부가 됩니다."

유리는 단지 장벽만 제공하는 것이 아닙니다. 그것보다 낫다. 폐기물은 유리의 일부가 됩니다

그러나 이 안경의 장기적인 안정성에 대해서는 항상 의문점이 있었습니다. 즉, 이러한 물질이 수천 년 동안 고정된 상태로 유지되는지 어떻게 알 수 있습니까? 이러한 질문을 더 잘 이해하기 위해 핵폐기물 연구자들은 고고학자, 박물관 큐레이터 및 지질학자와 협력하여 유리화된 핵폐기물이 시간에 따라 어떻게 변하는지 이해하는 데 도움이 될 수 있는 유리 유사체를 식별하고 있습니다.

가장 안정적인 유리는 순수한 이산화규소(SiO2)로 만들어지지만 탄산나트륨(Na2CO3), 삼산화붕소(B2O3), 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 다양한 첨가물이 유리의 특성을 변화시키기 위해 종종 첨가됩니다. 점도와 융점으로. 예를 들어, 붕규산 유리(B2O3 함유)는 열팽창 계수가 매우 낮으므로 극한의 온도에서도 깨지지 않습니다. "영국과 미국, 프랑스를 포함한 다른 국가에서는 폐기물을 저장하기 전에 붕규산 유리에 유리화하는 방법을 선택했습니다."라고 Thorpe는 설명합니다.

첨가물이나 핵폐기물 등의 요소가 포함되면 네트워크 형성자 또는 변형자로서 유리 구조의 일부가 됩니다(그림 1). 네트워크 형성 이온은 실리콘을 대체하는 역할을 하며 고도로 가교된 화학적으로 결합된 네트워크의 필수적인 부분이 됩니다(예: 붕소와 알루미늄이 이에 해당). 한편, 개질제는 산소 원자와 느슨하게 결합하여 "비가교" 산소(나트륨, 칼륨 및 칼슘이 이러한 방식으로 결합됨)를 발생시켜 산소와 유리 형성 원소 사이의 결합을 방해합니다. 후자는 재료의 전반적인 결합력을 약화시켜 유리 전체의 융점, 표면 장력 및 점도를 감소시킬 수 있습니다.