مراقبة تشغيلية لحركيات الذوبان وتكوّن طبقة التغيير في زجاج بوروسيليكيت مُشع بتصادم أيونات ثقيلة

لماذا تعتمد سلامة تخزين النفايات النووية على الزجاج

تترك محطات الطاقة النووية مخلفات شديدة النشاط الإشعاعي يجب حبسها بأمان لعشرات الآلاف من السنين. إحدى الاستراتيجيات الرائدة هي احتجاز هذه المخلفات داخل كتل من الزجاج المصمم خصيصًا. لكن على مدى فترات طويلة كهذه يتعرض الزجاج لقصف إشعاعي من الداخل ويُغمر بمياه جوفية من الخارج. تطرح هذه الدراسة سؤالًا حاسمًا: كيف يغيّر ضرر الإشعاع الطريقة التي يذوب بها هذا الزجاج ببطء ويكوّن قشرة واقية عندما تصل إليه المياه؟

كيف يلتقي زجاج النفايات بالمياه في أعماق الأرض

يُستخدم الزجاج البوروسيليكات، المادة المُدرَسة هنا، بالفعل أو يتم التخطيط لاستخدامه في العديد من برامج النفايات النووية لأنه قادر على احتواء عناصر مشعة متعددة ومقاوم لهجوم المياه. عندما تصل المياه أخيرًا إلى كتلة زجاجية في مستودع جيولوجي، لا تبتلع الزجاج ببساطة كما يذوب السكر في الشاي. بل ينمو بدلًا من ذلك طبقة رقيقة معقدة غنية بالسيليكا على السطح الخارجي تسمى «طبقة تغيير السطح». يمكن لهذه الطبقة إبطاء الهجوم الإضافي عبر عملها كمرشح وحاجز. وفي الوقت نفسه، يتعرض الزجاج باستمرار للضرر من الداخل نتيجة الإشعاع الصادر عن المخلفات المحبوسة. يعيد ذلك الضرر ترتيب بنية الزجاج على مقياس مجهري، لكن أثره على مقاومة الماء على المدى الطويل ظل غير مؤكد ومحط جدل.

مراقبة تآكل الزجاج في الزمن الحقيقي

عمل الباحثون على زجاج بوروسيليكات بسيط ومُوصوف جيدًا. لمحاكاة الإشعاع الذاتي الشديد، قصفوا إحدى واجهات كتلة الزجاج بأيونات ذهب عالية الطاقة، مكوِّنين منطقة تالفة بشدة بسمك نحو 50 ميكرومتر. ثبتوا بعد ذلك الكتلة في خلية تدفق مُسخَّنة تحتوي محلول بيكربونات الصوديوم، اختير ليشبه المياه الجوفية ضعيفة القلوية. باستخدام تقنية تعتمد على الليزر تُدعى مطيافية رامان، مسحوا مرارًا وخلالياً نفس الخط المجهري عبر الزجاج والماء والطبقة السطحية المتشكلة لمدة تقارب الأسبوعين. سمحت هذه المقاربة التشغيلية بتتبع الوقت الحقيقي لمعدل تراجع سطح الزجاج، وكيف ثخنت طبقة التغيير، وكيف تطورت الوحدات الحلقية الداخلية لشبكة السيليكا.

الإشعاع يجعل الزجاج أكثر ميلاً للذوبان

بالمقارنة بين الجانب المُشعَع والجانب غير المتضرر من نفس العينة ومع تجارب سابقة، وجد الفريق أن ضرر الإشعاع يسرّع بشكل كبير من ذوبان الزجاج. في البداية، ذاب الزجاج المُشعَع بمعدل يقارب مرتين ونصف معدل الزجاج غير المُشعَع تحت ظروف شبه متطابقة. ومع تقدم الهجوم ووصول جبهة الذوبان إلى الانتقال بين المناطق المتضررة بشدة وغير المتضررة، ارتفع المعدل مرة أخرى مؤقتًا ليصبح أعلى. ولم ينخفض المعدل إلا بعد أن استُبدلت المنطقة التالفة بالكامل بطبقة غنية بالسيليكا، لكن حتى المعدلات «المتبقية» اللاحقة ظلت أعلى من تلك المقاسة على الجانب غير المُشعَع. طوال ذلك الوقت أظهرت بيانات رامان أن الإشعاع قد فرّق الشبكة الأصلية لوحدات السيليكون–أكسجين والبورون–أكسجين، مما ترك هياكل أضعف ترابطًا تتفاعل مع الماء بسهولة أكبر.

كيف تنمو القشرة الواقية وتتحول

كانت طبقة تغيير السطح التي تشكلت فوق المنطقة المُشعَعَة أكثر سُمكًا بحوالي ضعفين من تلك التي نمت فوق الجانب غير المتضرر. كشفت التصويرات عالية الدقة أنها لم تكن متجانسة: فكان هناك نطاق خارجي أملس، وشريط متوسط بترتيب داخلي مختلف، ونطاق داخلي مكوّن من صفائح رقيقة أو خطوط. ترجمت قياسات رامان هذه التركيبات إلى اختلافات في أحجام حلقات السيليكا وترابطها. هيمنت الحلقات الأكبر والأكثر تَرَابطًا على مناطق معينة، في حين سيطرت الحلقات الأصغر والهياكل الغنية بالماء على مناطق أخرى. عبر استبدال جزئي للمحلول بماء ثقيل (D₂O) في منتصف التجربة، استطاع الفريق تتبع حركة الماء خلال هذه القشرة متعددة الطبقات. وجدوا أن المنطقة المتوسطة كانت تعمل كعنق زجاجة جزئي للانتشار، بينما أصبح النطاق الخارجي تدريجيًا أكثر تقييدًا مع نضجه.

ما معنى هذا لسلامة النفايات النووية

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن ضرر الإشعاع يجعل زجاج النفايات النووية أكثر «تفاعلية» كيميائيًا: يذوب أسرع في الماء ويكوّن قشرة واقية أسمك لكنها أكثر تعقيدًا من حيث البنية. يؤثر البناء الداخلي لهذه القشرة — أشرطةها وصفائحها — بقوة في سهولة مرور الماء والموائع المذابة عبرها، وتستمر هذه السمات في التطور مع الزمن. تدعم النتائج تصورًا يقضي بأن الزجاج يذوب وتعاد ترسيب السيليكا بصورة مترابطة عند جبهة تفاعل متحركة، بدلاً من الاكتفاء بالنزح البسيط فقط. لتقييمات السلامة على المدى الطويل، يعني ذلك وجوب أخذ كل من ضرر الإشعاع وتغير بنية طبقة السطح بعين الاعتبار عند التنبؤ بسرعة إمكانية إطلاق النويدات المشعة من النفايات المذابة في الزجاج في أعماق الأرض.

الاستشهاد: Lönartz, M.I., Stausberg, L., Fritzsche, M.B.K. et al. Operando observation of dissolution kinetics and alteration layer formation of heavy ion irradiated borosilicate glass. npj Mater Degrad 10, 45 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00754-3

الكلمات المفتاحية: زجاج النفايات النووية, ضرر الإشعاع, تآكل الزجاج, طبقة تغيير السطح, زجاج بوروسيليكات