นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี-กรวดล็อค: สิ่งกีดขวางสุดท้ายสำหรับกากนิวเคลียร์

เทคโนโลยีตะแกรงโมเลกุล: ซีโอไลต์-กับดักนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีดัดแปลง

ความสามารถในการดูดซับแกนกลางของกรวดนี้เกิดจากการดัดแปลงซีโอไลต์ธรรมชาติอย่างแม่นยำ ทีมเทคนิคเลือกภูเขาไฟก้อนกรวด(เส้นผ่านศูนย์กลาง 10-15 ซม.) อุดมไปด้วยคลิโนปติโลไลท์ ซึ่งช่วยปรับโครงสร้างรูพรุนขนาดเล็กของซีโอไลต์ (ขนาดรูพรุน 0.3-0.8 นาโนเมตร) ให้กลายเป็นช่องทาง "การดูดซับแบบกำหนดเป้าหมาย" ผ่านการกระตุ้นด้วยกรด (การบำบัดด้วยกรดไฮโดรคลอริก 5%) และการแลกเปลี่ยนไอออน (การแช่สารละลายเกลือแอมโมเนียม) โครงสร้างอะลูมิโนซิลิเกตภายในมีประจุเป็นลบ ช่วยให้สามารถดักจับนิวไคลด์กัมมันตรังสีประจุบวก เช่น ซีเซียม (Cs⁺) และสตรอนเซียม (Sr²⁺) ได้อย่างแข็งแกร่งผ่านแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิต

ข้อมูลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าก้อนกรวดดัดแปลงมีความสามารถในการดูดซับซีเซียมเกิน 120 มก./กรัม และสตรอนเซียมมากกว่า 90 มก./กรัม-3 เท่าของซีโอไลต์ที่ไม่มีการดัดแปลง และเหนือกว่าการแข็งตัวของซีเมนต์แบบดั้งเดิมอย่างมาก (เพียง 5 มก./กรัมสำหรับซีเซียม) ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น ความเสถียรในการดูดซับนั้นยอดเยี่ยมมาก: ในสภาพแวดล้อม pH 3-11 (การจำลองน้ำใต้ดินในสภาพทางธรณีวิทยาต่างๆ) อัตราการสลายนิวไคลด์กัมมันตรังสีคือ ＜0.1%; หลังจากการฉายรังสี (ปริมาณสูงถึง 10⁶Gy เทียบเท่ากับความเข้มของรังสีรอบๆ HLW) ความสามารถในการดูดซับจะลดลงเพียง 2% เท่านั้น หลีกเลี่ยงความเสียหายทางโครงสร้างที่เกิดจากรังสี

กลไกการดูดซับทำให้เกิด "การล็อคแบบคู่": ในทางกายภาพ ไมโครพอร์ซีโอไลต์จะสร้างสิ่งกีดขวางแบบสเตอริกสำหรับนิวไคลด์กัมมันตรังสี ในทางเคมี นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีจะสร้างพันธะประสานงานที่มั่นคงกับเฟรมเวิร์กซีโอไลต์ ป้องกันการ-ปล่อยออกมาอีกครั้งแม้ในอุณหภูมิสูง (150 องศา ) หรือความดัน (10MPa)- แก้ปัญหาข้อบกพร่อง "การดูดซับได้ง่าย" ของตัวดูดซับแบบดั้งเดิม

ตัวบ่งชี้ด้านความปลอดภัย: ใกล้-ประสิทธิภาพของแผงกั้นการซึมผ่านเป็นศูนย์

กรวดกัมมันตรังสี-ได้ผ่านการตรวจสอบกับมาตรฐานการกำจัดกากนิวเคลียร์ที่เข้มงวดที่สุดในโลก การทดสอบโดยหน่วยงานความปลอดภัยทางรังสีและนิวเคลียร์แห่งฟินแลนด์ (STUK) แสดงให้เห็นว่าความสามารถในการซึมผ่านโดยรวมอยู่ที่ ＜10⁻⁹m/s- ซึ่งหมายถึง ＜10⁻⁹ ลูกบาศก์เมตรของน้ำที่ไหลผ่านต่อตารางเมตรทุกวัน (เทียบเท่ากับหนึ่งในล้านของหยด) ทำให้นิวไคลด์กัมมันตรังสีหลบหนีจากการแพร่กระจายแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย

การซึมผ่านที่ต่ำเป็นพิเศษ-นี้มาจากโครงสร้างคอมโพสิต "กรวด-เบนโทไนต์": กรวดแต่ละก้อนเคลือบด้วยโซเดียมเบนโทไนต์ชั้น 2 มม. (ความสามารถในการพองตัว >30 มล./กรัม) ซึ่งจะขยายตัวอย่างรวดเร็วเป็นเจลหนาแน่นเมื่อสัมผัสกับน้ำใต้ดิน ซึ่งช่วยเติมเต็มช่องว่างระหว่างก้อนกรวด ในขณะเดียวกัน โครงสร้างที่หนาแน่นตามธรรมชาติของก้อนกรวด (ความพรุน ＜2%) ยังปิดกั้นเส้นทางการซึมผ่านอีกด้วย การทดสอบการชะล้างระยะยาว- (จำลองการกัดเซาะของน้ำใต้ดิน 1,000 ปี) แสดงให้เห็นว่าอัตราการชะล้างซีเซียมอยู่ที่ ＜10⁻⁸g/(cm²·d) ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัดความปลอดภัยของสำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ (IAEA) มาก (10⁻⁶g/(cm²·d))

นอกจากนี้ ความเสถียรทางกลยังโดดเด่น: กำลังอัด 150MPa ทนทานต่อแรงกดดันจากภาระหนักในการกำจัดใต้ดิน (โดยทั่วไปคือ ＜5MPa) ไม่มีการแตกร้าวเกิดขึ้นหลังจากการแช่แข็ง-รอบการละลาย 100 รอบ (-20 องศาถึง 20 องศา) รับประกันความสมบูรณ์ของโครงสร้างในสภาพอากาศที่รุนแรง

ค่าใช้จ่ายในการกำจัด: การปฏิวัติทางเศรษฐกิจในการฝังกลบขยะนิวเคลียร์

การใช้งานจริงที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Olkiluoto (ฟินแลนด์) ยืนยันความได้เปรียบด้านต้นทุนของกรวด ในโครงการกำจัด HLW ของโรงงานในปี 2024 การแทนที่การแข็งตัวของแก้วแบบดั้งเดิมด้วยนิวไคลด์กัมมันตรังสี-ช่วยประหยัดต้นทุนได้หลายประการ:

ต้นทุนวัสดุลดลง 50%: ต้นทุนการผลิตกรวดดัดแปลง ~$80/ตัน ครึ่งหนึ่งของต้นทุนการแข็งตัวของแก้ว ($160/ตัน)

ปรับปรุงประสิทธิภาพการขนส่งและการฝังกลบ: 1 กก. ต่อก้อนกรวดทำให้สามารถบรรทุกโดยใช้เครื่องจักรได้ ประสิทธิภาพการขนส่งเพิ่มขึ้นสามเท่าเมื่อเทียบกับการแข็งตัวของแก้ว (ต้องใช้ภาชนะป้องกันพิเศษ)

กำจัด-ค่าบำรุงรักษาระยะยาว: การดูดซับที่เสถียรและการซึมผ่านที่ต่ำเป็นพิเศษ- ขจัดความจำเป็นในการตรวจสอบหลุมหรือชั้นการซ่อมแซมเพิ่มเติม 预计 ลดค่าบำรุงรักษาการปฏิบัติงาน 100 ปีลง 60%

การบัญชีที่ครอบคลุมแสดงให้เห็นว่าต้นทุนการกำจัดหน่วยใต้ดินลดลงจาก 2,000 ดอลลาร์/ลบ.ม. เหลือ 1200 ดอลลาร์/ลบ.ม.- ซึ่งลดลง 40% สำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาด 1GW ที่สร้าง HLW ได้ 200 ลบ.ม. ต่อปี ซึ่งช่วยประหยัดเงินได้ ~1.6 ล้านดอลลาร์ต่อปี

ยิ่งไปกว่านั้น ยังช่วยลดระยะเวลาในการกำจัดขยะนิวเคลียร์ลง: การแข็งตัวของแก้วแบบดั้งเดิมต้องใช้เวลา 6-12 เดือนในการทำความเย็นและการแข็งตัว ในขณะที่กรวดที่ดัดแปลงสามารถนำมาใช้โดยตรงหลังการบำบัดของเสียเบื้องต้น โดยบีบอัดกระบวนการจาก "ปี" เป็น "สัปดาห์" และลดความเสี่ยงในการจัดเก็บชั่วคราวได้อย่างมาก ตามที่ระบุไว้ในการประเมินของ STUK: "กรวดนี้เปลี่ยนขยะนิวเคลียร์จาก 'การกำจัดยาก' เป็น 'การกำจัดที่ควบคุมได้' ซึ่งเป็นความก้าวหน้าทางวัสดุที่สำคัญสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ที่ยั่งยืน"