Synergi til opbevaring:Indeholder nukleart affald i tusinder af år

Gennemse Gilcrease Museums samling af præcolumbiansk amerikansk kunst og værktøjer i Tulsa, OKAY, man bliver ved med at vende tilbage til obsidian knivene, pilespidser (eller "projektilpunkter, "til antropologer), og endda ørepynt – blank sort, glat, og glasagtig. I titusinder af år, oprindelige folk lavede disse genstande af afkølet lava, smuk, men også i stand til at holde en skarp kant i årtusinder. Samme museumssamling indeholder også metalknive, nogle kun få århundreder gamle, allerede udhulet og rustet, og en række keramiske genstande i forskellige stadier af forringelse fra overraskende uberørt til falmet og revnet. Klart, disse forskellige materialer - glasagtig obsidian, jordagtig keramik, og metalliske – har egenskaber, der påvirker, hvordan de står sig over tid.

"Der er vanskelige problemer med at forstå, hvordan materialer korroderer over virkelig lange tidsrum, " sagde Gerald Frankel, direktør for Center for Performance and Design of Nuclear Waste Forms and Containers (WastePD). "Dette er videnskabelige spørgsmål, " fortsatte han. "Det er derfor, vi har brug for grundlæggende videnskab."

Frankel, professor ved Ohio State University, fokuserer den videnskabelige linse på glas, keramik, og metaller brugt til at fange rester fra den kolde krig, inklusive ~90 millioner gallons radioaktiv væske og slam (som vådt strandsand). Størkning af affaldet som glas eller keramik forhindrer det i at sive ud i jord og grundvand. Den faste form holder affaldet inde i tusinder af år, giver det radioaktive stof tid til at henfalde til et sikrere niveau.

For at størkne affaldet, det er tilberedt og blandet ind i opskrifterne på glas eller keramik. Det størknede affald, a.k.a. affaldsform, sættes derefter i specialdesignede metalbeholdere og opbevares. Forsvarsrelateret affald i South Carolina bliver allerede glassificeret. Et andet sådant anlæg er under opførelse i staten Washington.

Selvom glas, keramik, og metalformer har eksisteret i evigheder, forskere kender endnu ikke vigtige detaljer om, hvordan materialer smuldrer, opløse, eller på anden måde fortrydes. "Lige nu, vi forstår ikke affaldsform korrosion nok til at komme med en god model, " sagde Frankel.

Du kan ikke bare gå ud og gøre dine ting alene. At udvikle den underliggende videnskab, der er nødvendig for at modellere affald fra korrosion, Frankel samlede materialeforskere, ingeniører, computermodelbyggere, og teoretikere som WastePD, et Energy Frontier Research Center finansieret af Department of Energy's (DOE's) Office of Science.

De forskellige perspektiver giver teamet et bredt blik på videnskabelige spørgsmål. Endnu bedre, de tilbyder flere teknikker, værktøjer, og knowhow til at få svar. Men samarbejder, især på tværs af ni tidszoner, har sine udfordringer. "Vi bruger meget tid på at interagere, " sagde Frankel. "Du kan ikke bare gå ud og gøre dine ting alene."

En tidlig sejr for holdet var at løse et særligt irriterende problem, der involverede vand på glasaffaldsformer.

Tid og tidevand venter uden spild. Forskere antager, at i de tusinder af år, affaldet ligger på lager, regnvand eller grundvand kommer ind.

Når glasset er dækket af vand, der dannes enten et beskyttende eller ustabilt lag. Den ustabile film fremskynder glaskorrosion, får glasset til at smuldre langt hurtigere, end hvis det havde en beskyttende film.

"For at bestemme, hvad der driver formationen, vi skal se nærmere på det, " sagde John Vienna, som leder WastePD's glastrykområde og arbejder på DOE's Pacific Northwest National Laboratory.

Men reaktionerne sker under vandet. Mens du let kunne se overfladen, konventionelle teknikker er ikke designet til at få nøjagtige data på en undervandsoverflade. "Det har været en hellig gral af kemi, " sagde Wien.

Holdet fandt en vej ved at samarbejde. Hvert teammedlem kom med ideer og anvendte dem. Det er som at samle et dusin internationalt anerkendte kokke og bede dem om at tilberede en fisk, og derefter kombinere al den viden og teknikker for at gøre noget, ingen har set før.

De startede med at lynfryse uberørt vand på glas. Det er som en frossen, frostet chokoladepladekage med glas som kage og vand som glasur. De skar et tyndt stykke, som at skære en lille portion, og analyserede det. De gentog eksperimentet med få sekunders mellemrum, da vandet fik et ustabilt porøst lag til at danne sig på glasset, i det væsentlige at skabe en sofistikeret flipbog.

Det bekymrende lag, der dannes af vandet og glasset, der reagerer, øser små stykker glas ud fra overfladen og lader vand komme ind, ligesom det kunne på et lagersted. Filmens struktur - hvor mange porer dannes, hvor dybt, og hvor langt fra hinanden - bestemmer, hvor hurtigt glasset smuldrer.

"Vores samarbejde var noget af et haglgeværbryllup i starten, " sagde Wien. Studiet af glaskorrosion i vand er blot et eksempel på, hvordan man samler forskellige mennesker, forskellige instrumenter, og forskellige ideer kan føre til en løsning. "Nu, vi gør virkelige fremskridt ved at bruge teknikker, der kun blev brugt på ét område, og måder at se problemerne på."