فهم ذري لتأثير الإشعاع على النزع المائي للزجاج البوروسيليكاتي الصوديومي

لماذا يهم زجاج النفايات النووية

عندما نتحدث عن الطاقة النووية، فإن أحد أكبر الأسئلة هو ما العمل ببقايا النشاط الإشعاعي الأعلى. في أنحاء العالم، يُستخدم نوع خاص من الزجاج يُدعى الزجاج البوروسيليكاتي الصوديومي لحبس هذه الذرات لآلاف السنين. تكشف هذه الدراسة على مستوى ذري عن سؤال حاسم: مع تعرض هذا الزجاج باستمرار للإشعاع في أعماق الأرض، هل يظل قويًا ومقاومًا للماء أم يضعف تدريجيًا ويسمح للعناصر المشعة بالهروب؟

حبس الإشعاع داخل الزجاج

يُخلط نفايات المستوى العالي اليوم عادةً في زجاج بوروسيليكاتي صوديومي منصهر ثم يبرد ليشكل كتلًا صلبة كبيرة. يحظى هذا الزجاج بشعبية لأنه يمكنه احتواء مكونات كيميائية متعددة مع البقاء مستقرًا وبطيئًا في الذوبان في الماء. لكن داخل كل كتلة، تستمر بعض الذرات في الاضمحلال، مطلقة شظايا طاقية تصطدم بالمادة المحيطة. على مدى قرون وأكثر، يمكن لهذه «الشلالات الباليستية» الصغيرة أن تُحرك الذرات من مواقعها، مُعادلة بنية الزجاج بطرق دقيقة. وفي الوقت نفسه، قد يصل الماء الجوفي في نهاية المطاف إلى عبوة النفايات في مستودع جيولوجي عميق، ما يجعل من الضروري فهم كيف يتفاعل ضرر الإشعاع مع تآكل الماء.

محاكاة مليون سنة في الحاسوب

نظرًا لاستحالة إجراء تجارب في الزمن الحقيقي على أحقاب جيولوجية، استخدم الباحثون محاكيات ديناميات جزيئية واسعة النطاق لتقليد ما يحدث لهذا الزجاج عند تعرضه مرارًا لضربات ذرات ارتداد عالية الطاقة، كما يحدث عند اضمحلال البلوتونيوم إلى اليورانيوم. بنوا زجاجًا افتراضيًا مفصّلًا يحتوي على ما يقرب من 40,000 ذرة، ثم طلَقوا العديد من المقذوفات عالية الطاقة خلاله لمحاكاة قرون من الإشعاع. حلل الفريق كيف تغيرت الروابط القصيرة المدى بين السيليكون والبورون والأكسجين والصوديوم، وكيف تطور الشبك المتوسط المدى من الحلقات والأقفاص داخل الزجاج. كما حسبوا كيف أثرت هذه التغيرات البنائية على خواص يهتم بها المهندسون: الكثافة، والصلابة، ومقاومة الحرارة، والسلوك الاهتزازي، ومدى سهولة إخراج أيونات الصوديوم إلى الماء.

كيف يعيد الإشعاع ترتيب شبكة الزجاج

تُظهر المحاكيات أن الإشعاع لا يخترق الزجاج ببساطة؛ بل يعيد توصيل شبكته الداخلية بدقة. محليًا، تسخن المناطق على طول مسارات المقذوف لفترة وجيزة ثم تُبرَّد سريعًا، شبيهة بالتبريد اللحظي للانصهار. يحوّل هذا العملية بعض وحدات البورون الرباعية الارتباط إلى ثلاثية ويزيد من الأكسجين غير الرابط—ذرات أكسجين تنهي الشبكة بدلًا من ربط وحدتين. في الوقت نفسه، تتصرف أيونات الصوديوم، التي تساعد في البداية على موازنة الشحنة، على نحو متزايد كمعدلات للشبكة تجلس قرب هذه الروابط المكسورة. يصبح الزجاج أكثر كثافة قليلاً إجمالًا، ويتشكل عدد أكبر من الحلقات الذرية الصغيرة، وتزداد الاضطرابات التكوينية، رغم أن كثافته المتوسطة ترتفع بنحو 2 بالمئة فقط.

من تغيّر البنية إلى القوة والتآكل

تترجم هذه التعديلات المجهرية إلى تغيّرات ملحوظة في السلوك الكلي. تنخفض درجة انتقال الزجاج—النقطة التي يلين عند التسخين—بنحو 6 بالمئة تقريبًا، ما يعكس شبكة أكثر مرونة وأقل ارتباطًا بإحكام. تكشف اختبارات ميكانيكية في المحاكاة أن الزجاج المعرض للإشعاع أقل صلابة وأقل قوة، حيث ينخفض معامل يونغ وقوة الشد القصوى بحوالي 9 و18 بالمئة على التوالي، مع فشل يميل قليلاً إلى السلوك البلاستيكي. عند وضع الزجاج على اتصال بالماء، وجد الباحثون أن أيونات الصوديوم تتحرك بسهولة أكبر نحو الواجهة وإلى المحلول. ارتفع معدل نزع الصوديوم بحوالي 18 بالمئة، متوافقًا مع شبكة تحتوي على المزيد من الروابط المكسورة وتجَمُّعات غنية بالصوديوم أسهل على الماء أن يهاجمها. وعلى الرغم من أن المعدلات المطلقة أقل مما تُظهره التجارب—لأن التفاعلات الكيميائية الحقيقية مثل تحلل الروابط بالماء لم تُدرج—إلا أن اتجاه التسارع في التآكل بعد التعرض للإشعاع يتوافق مع الملاحظات المخبرية.

دور معدل الجرعة والثبات طويل الأمد

من المهم أن الباحثين درسوا كيف تؤثر طاقة كل حدث ارتداد—«معدل الجرعة»—على الضرر. عند طاقات ارتداد منخفضة، تستعيد البنية المحلية نفسها بعد كل تصادم إلى حد كبير، وتبدو شبكة الزجاج بعد ارتدادات تحت نحو 10 keV شبيهة جدًا بالمادة غير المتضررة. عند طاقات أعلى، يتراكم الضرر: تظهر مزيد من الحلقات الصغيرة، تضيق زوايا الروابط، وتتكاثر ذرات الأكسجين غير الرابط، تاركة شبكة أكثر تحللًا وفوضى. ومع ذلك في جميع الحالات، تميل التغيرات في الكثافة، وتشكّل البورون، ومحتوى الأكسجين غير الرابط إلى التشبع مع الجرعة، مما يعني أنه بعد نقطة معينة ينتج عن المزيد من الإشعاع ضرر إضافي متناقص. يدعم هذا السلوك الفكرة القائلة بأنه تحت معدلات الجرعة الأبطأ المتوقعة في مستودعات النفايات الحقيقية، يمكن لمعظم الضرر أن يتلدن بينما يتشكل ويُعالج بالتلدين الذاتي.

ما يعنيه هذا لتخزين النفايات النووية

للقارئ العام، الرسالة الأساسية تجمع بين التحذير والطمأنة. يؤدي الإشعاع إلى جعل زجاج النفايات النووية أقل صلابة قليلًا وأكثر عرضة لإطلاق الصوديوم عند ملامسة الماء، عبر تليين وإعادة ترتيب شبكته الذرية برفق. ومع ذلك، هذه التغيرات معتدلة، تميل إلى الاستقرار مع تراكم الجرعة، ولا تشير إلى انهيار كارثي للزجاج. تقترح المحاكيات أن الزجاج البوروسيليكاتي الصوديومي ينبغي أن يحتفظ بتكامله البنيوي العام على مدى أزمنة طويلة جدًا، حتى مع زيادة طفيفة في التآكل. يدعم هذا الاستنتاج استمرار استخدامه كمادة أساسية لعزل النفايات عالية النشاط، مع التأكيد على الحاجة إلى نماذج مستقبلية تربط أضرار الإشعاع مع التفاعلات الكيميائية الكاملة على واجهة الزجاج والماء.

الاستشهاد: Sahu, P., Ali, S.M. Atomistic understanding of the impact of radiation on the aqueous leaching of sodium borosilicate glass matrix. npj Mater Degrad 10, 47 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-025-00730-3

الكلمات المفتاحية: زجاج النفايات النووية, أضرار الإشعاع, زجاج بوروسيليكاتي, تآكل الزجاج, ديناميات جزيئية