Понимание этого процесса имеет решающее значение, поскольку страны во всем мире рассматривают подземные глинистые образования для захоронения ядерных отходов, поскольку глина обеспечивает низкую проницаемость и высокое удержание радионуклидов. Даже когда хранилище не находится в глине, инженерные барьеры часто включают уплотненный буфер из бентонита, распространенного типа глины, для улучшения изоляции отходов.Йод-129, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 15,7 миллиона лет, является важным продуктом деления в отработавшем ядерном топливе и вносит основной вклад в прогнозируемую общую дозу излучения из глубокого геологического хранилища.
Таким образом, даже небольшое улучшение способности глины удерживать йод-129 может повлиять на прогнозы общей дозы.Некоторые свидетельства указывают на слабое взаимодействие между глиной и йодидом — отрицательно заряженным преобладающим химическим веществом йода в геологических хранилищах, — сказал исследователь Ифэн Ван, возглавляющий исследование.
Компьютерные модели не смогли адекватно объяснить химическое поведение глины с йодидом, и этот механизм трудно изучить, поскольку слабое взаимодействие легко маскируется погрешностями измерения.«Кажется, существует какой-то ранее нераспознанный механизм, который объясняет такое взаимодействие», — сказал Ван, соучредитель исследовательского и опытно-конструкторского проекта под руководством лаборатории по изучению взаимодействия радионуклидов и глины, который проводится уже третий и последний год.
Его команда пришла к выводу, что взаимодействие, часто игнорируемое как экспериментальный шум, реально, и что могут быть инженерные способы улучшить способность глины удерживать йодид.Команда Sandia фокусируется на глиняной структуреКоманда — Ван и бывший соучредитель Энди Миллер, недавно уехавший из Сандии; техник Эрнесто Теллез; и круглогодичные стажеры Джессика Круичак и Мелисса Миллс — проводили эксперименты с различными глинами, уделяя особое внимание их структурным характеристикам.
Предыдущие исследования удержания йодида в глине были сосредоточены на бентоните. Вместо этого команда Вана изучила несколько различных глин, пять из которых имеют такую же слоистую структуру, как бентонит.
Хотя промышленность привыкла к использованию обильного и часто изучаемого бентонита, эксперименты группы показывают, что другие глины обладают более высокой способностью удерживать радионуклиды и могут лучше изолировать отходы отработавшего топлива. Каолинит имел лучшее удерживание йодида из пяти глин с наслоениями.
Ван сказал, что команда считает, что их работа «может помочь нам выбрать лучший глиняный материал или комбинацию глиняных материалов».Члены группы считают, что они обнаружили механизм взаимодействия йодида с глиной, который позволяет более точно прогнозировать движение йода-129 в геологическом хранилище.
Открытие было представлено в мае на Международной конференции по обращению с радиоактивными отходами высокого уровня в Альбукерке и опубликовано в материалах конференции.Экспериментальные данные показывают, что йодид напрямую взаимодействует с крошечными промежутками между слоями глины, которые называются участками прослоек глины. Это поднимает вопрос о том, как отрицательно заряженный йодид попадает в эти отрицательно заряженные межслоевые участки, поскольку одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, как магниты той же полярности. «Это противоречит общепринятой концепции», — сказал Ван.
Команда получила ключ к разгадке происходящего, изучив проблему в наномасштабе, который в 100000 раз меньше диаметра человеческого волоса.
В этом масштабе, сказал Ван, свойства воды изменяются таким образом, что усиливается спаривание ионов.Заключение: ионная пара объясняет реакцию йодида с глиной.Спаривание ионов объясняет, как йодид реагирует с глиной и проникает в поры, несмотря на то, что иодид, и глина имеют отрицательный заряд.
Ученые постулируют, что йодид соединяется с положительно заряженным натрием, образуя нейтральную ионную пару. Это происходит из-за повышенной способности воды к ассоциации с ионами, захваченной в прослойках глины нанометрового размера, что приводит к образованию пар, которое помогает йодиду перемещаться в прослойку за счет минимизации электрического отталкивания, сказал Ван.Глина плотно уплотняется, когда ее используют в качестве барьера, и может набухать при контакте с водой. «Вот почему люди используют глиняные материалы и уплотняют их», — сказал Ван. «Это хороший инженерный барьер для изоляции радионуклидов».
По его словам, удерживающие свойства увеличиваются с уплотнением, что делает поры меньше. «Это еще один способ повысить эффективность глиняных материалов», — сказал он.Но исследование Сандии также предполагает, что лабораторные измерения могут быть более точными.
Обычно исследователи разбивают образцы, прежде чем измерить платежеспособность конкретного материала. «Мы действительно показываем, что ограничение нанопор имеет большое значение», — сказал Ван. «Это означает, что то, что вы измеряете в лаборатории, в большинстве случаев не соответствует реальному уплотненному материалу. Уплотненный материал на самом деле может дать вам лучшее удержание ».