Neutroner inspicerer saltindeslutningsmaterialer for at forbedre langsigtet affaldsopbevaring

Et team af forskere fra University of South Carolina bruger neutroner til at udvikle mere holdbare og effektive materialer kaldet affaldsformer til sikker opbevaring af farlige stoffer.

USC-teamet besøgte for nylig Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory for at undersøge salt-inklusionsmaterialer (SIM'er), der indeholder interne silikatkanaler med kapacitet til sikkert at immobilisere atomaffald. Forskerne håber at få værdifuld indsigt i materialernes egenskaber ved hjælp af ressourcer på ORNL's Spallation Neutron Source såsom POWGEN-instrumentet, SNS strålelinje 11A.

"Vi studerer SIM'er med den hensigt at skabe nye materialer, der mere effektivt og sikkert binder nukleare affaldselementer som technetium, " sagde hovedefterforsker Hans-Conrad zur Loye. "Dette er en langsigtet proces, og vi håber at udvikle den grundlæggende kemi, der er nødvendig for at designe disse affaldsformer i løbet af de næste mange år."

Affaldsmaterialer fungerer som en slags krystallinsk "pose", der indeholder radioaktive grundstoffer, når de henfalder over tid. Forskerne sigter mod at designe en skræddersyet affaldsform til at indkapsle radioaktive isotoper og give yderligere sikkerhedsforanstaltninger. For eksempel, hvis der lækker vand ind i beholderne, den nye affaldsform ville ikke opløses.

Forskerne studerer ionbytningsreaktioner, den proces, hvorved ikke-radioaktive salte erstattes med radionuklider til langtidsopbevaring i SIM-kort. Teamet havde tidligere brugt røntgenstråler til at analysere reaktionernes eftervirkninger og planlægger nu at drage fordel af neutroners gennemtrængende og ikke-destruktive karakter til at afsløre strukturelle ændringer i realtid. Denne viden vil hjælpe med at identificere, hvilke egenskaber der er nødvendige for, at et materiale effektivt kan immobilisere nukleart affald.

"Vi ved, hvad vi starter med, og hvad vi ender med, men vi ved endnu ikke, hvad der sker i midten, " sagde zur Loye. "Evnen til at se, hvad der sker under processen, er unik for neutroner."

Denne forskning udføres som en del af Center for Hierarchical Waste Form Materials (CHWM), et DOE Energy Frontier Research Center. CHWM's mål er at udvikle nye materialer, der er i stand til at lagre en højere koncentration af nukleart affald uden at tillade radioaktivt indhold at sive ind i det omgivende miljø. En måde at opnå denne balance på er gennem hierarkiske materialer som SIM'er, som består af mindre strukturer indeholdt i større. Forskere ved centret studerer forskellige variationer af disse stoffer og modellerer nye medier til opbevaring af nukleart affald.

"Vores mål er at lave nye kerneaffaldsmaterialer til sikkert at bundfange radionuklider, så de ikke kommer ind i vandforsyningen eller atmosfæren, " sagde zur Loye. "Hvis vi kan designe et materiale, der giver en ekstra sikkerhedsmargin, vi kan muligvis levere en sikker løsning i tusinder af år fremover."