نحو تقييم أداء أشكال النفايات النووية المتقدمة: التبعية الحرارية لتحلل زجاج البوروسيليكات المحتوي على اللانثانيدات

لماذا تهمّ سلامة تخزين النفايات النووية

توفر المفاعلات النووية الحديثة والتصاميم المتقدمة القادمة إمكانية إنتاج الكهرباء بدون انبعاثات كربونية، لكنها تترك وراءها نفايات شديدة الإشعاع يجب عزلها عن البشر والبيئة لآلاف السنين. إحدى الطرق الواعدة للقيام بذلك هي تثبيت النفايات داخل زجاج مُصمم خصيصاً، ثم تخزين هذا الزجاج عميقاً تحت الأرض. تطرح هذه الدراسة سؤالاً بسيطاً ولكنه حاسم: كيف يتصرف نوع متقدم من زجاج النفايات النووية في ماء ساخن على مدى فترات طويلة، وهل يمكننا قياس هذا السلوك بدقة كافية لثقة نماذج مستودع مستقبلي؟

قفل النشاط الإشعاعي داخل الزجاج

النفايات المشعة عالية المستوى لا تُخزن على شكل مسحوق أو سائل سائِل. بدلاً من ذلك، عادة ما تُذوَّب وتتحول إلى زجاج قوي يحتجز عناصر كيميائية متعددة في شبكة صلبة ومعقدة. تعتمد خطط السلامة الدولية على عدة طبقات من الحماية: تُثبَّت النفايات أولاً داخل زجاج متين، وتُغلق داخل حاويات قوية، ثم تُوضَع في تكوينات صخرية مختارة بعناية في أعماق الأرض. للتنبؤ بكيفية أداء هذا النظام على مدى مئات الآلاف من السنين، يصنع العلماء نماذج تقييم أداء تحاكي السرعة التي قد يفرّت بها الذرات المشعة من الزجاج إذا وصلها الماء في نهاية المطاف. هذه النماذج تكون جيدة بقدر جودة البيانات المُغذَّاة لها، وبشكل خاص البيانات حول كيفية تأثير الحرارة وكيمياء الماء على تآكل الزجاج.

نظرة جديدة على زجاج نفايات متقدم

تركز الأبحاث على زجاج البوروسيليكات المحتوي على اللانثانيدات (LaBS)، فئة من المواد صُمِّمت لحمل كميات كبيرة من العناصر الصعبة مثل البلوتونيوم والأمريسيوم والكوريوم. زجاج LaBS أكثر صلابة ومقاومة للحرارة من زجاج النفايات الأكثر شيوعاً المستخدم لمفاعلات اليوم، ويمكنه احتواء نسب أعلى من المعادن المشعة بأمان لأن تركيبه يتضمن بالفعل العديد من عناصر اللانثانيد التي تمتص النيوترونات. يدرس المؤلفون نموذجاً مُميَزاً اسمه AmCm2-19، طُوّر أصلاً لتثبيت نفايات غنية بالأمريسيوم والكوريوم، ويقارنون سلوكه في الماء بزجاج مرجعي مستخدم على نطاق واسع يعرف باسم الزجاج البسيط الدولي-1 (ISG-1). يُعرَضان كلاهما لماء نقي عند درجات حرارة تتراوح من دافئ (50 °م) إلى حار جداً (250 °م) وفق اختبار متسق للدوام.

كيف تغيّر الحرارة تفاعل الزجاج والماء

عندما يجلس الزجاج في الماء، تنتقل بعض ذراته الأساسية ببطء إلى السائل. بقياس سرعة إفراز عناصر رئيسية مثل البورون والسيليكون يَتَتَبّع الفريق معدل ذوبانه. بالنسبة لزجاج AmCm2-19، ترتفع هذه المعدلات مع ازدياد حرارة الماء ثم تتسطيح حول 150 °م. يشير هذا الاستواء إلى أن الماء قد شَبِعَ: لم يعد باستطاعته إذابة المزيد من تلك العناصر، ويُتحقَّق حالة وقائية رقيقة، ربما تتضمن طبقة تآثرية رفيعة أو مراحل معدنية مجهرية جديدة. ومن المثير للاهتمام أن هذا الزجاج المتقدم من طراز LaBS يشبع الماء بتركيزات مذابة أقل بكثير من تلك التي يسببها الزجاج المرجعي، ما يدل على أنواع ثانوية مختلفة قد تتكوّن في كل نظام.

التأمل داخل الزجاج وقياس مقاومته

لحصول نماذج على أرقام قابلة للاستخدام، يطابق المؤلفون بياناتهم المعتمدة على الحرارة مع علاقة أرينيُس، التي تربط معدل التفاعل بالحرارة. باستخدام شروط ما قبل التشبع فقط (50 و100 °م)، يستخرجون طاقات تنشيط تصف مدى حساسية معدل التحلل للحرارة. بالنسبة لـ AmCm2-19، تقع هذه القيم في نطاق متواضع، حوالي 15–25 كيلو جول لكل مول، ومشابهة لتلك الموجودة في بعض تركيبات LaBS السابقة. بالمقابل، غالباً ما تُظهر زجاجات النفايات النووية التقليدية طاقات تنشيط أعلى بكثير، ما يعني أن معدلات تفاعلها تتغير بشكل أكبر مع الحرارة. كما يدرس الفريق كيف تهرُب عناصر اللانثانيد المختلفة من الزجاج ويجد أن اللانثانيدات الأخف تميل إلى الذوبان أكثر من الأثقل، مما يعكس قوة تماسكها داخل شبكة الزجاج.

التحقق من وجود تلف خفي

لأن الاختبارات عند درجات حرارة عالية تشير إلى تشبع الماء، يقوم الباحثون بتجربة منفصلة أكثر تطرفاً تهدف إلى تشجيع تكوّن منتجات تآثر مرئية. يعرضون مسحوقاً ناعماً من زجاج AmCm2-19 لماء ساخن عند 200 °م لأكثر من أسبوعين، ثم يفحصون المادة بتركيب الأشعة السينية البودرة والمجهر الإلكتروني. تكشف هذه الطرق عن بلورات أو طبقات جديدة قد تتشكّل على سطح الزجاج. تُظهر القياسات تغيرات طفيفة فقط: يبدو أن مرحلة بلورية صغيرة موجودة سابقاً تتناقص، ولا تُكتشَف بلورات جديدة واضحة أو أغطية سطحية سميكة. كما تُظهِر خرائط التوزيع العنصري لأسطح الزجاج قبل وبعد النضوب تركيباً متشابهاً إلى حد بعيد، مما يوحي بأن أي طبقة تآثرية واقية، إن وُجدت، رقيقة للغاية.

ماذا يعني هذا لمستودعات النفايات المستقبلية

من منظور عمومي، الرسالة الرئيسية هي أن هذا الزجاج المتقدم للنفايات النووية يظل مستقراً إلى حد كبير حتى في ماء ساخن جداً، ويتباطأ تدهوره عندما يتشبع السائل بالمكونات المذابة المحيطة. توفر الدراسة بعضاً من أولى الأرقام المفصّلة المعتمدة على الحرارة حول كيفية ذوبان زجاج LaBS، مما يزود محللي السلامة بأدوات أفضل لتوقّع سلوكه على المدى الطويل تحت الأرض. ومع أنه لا بد من استكشاف تشكيلات وحالات أكثر بكثير، فإن هذا العمل يقرب المجال من أشكال ونماذج نفايات يمكن الوثوق بها لحبس النشاط الإشعاعي عميقاً في الأرض على مدد زمنية تتجاوز أي أفق تخطيط بشري.

الاستشهاد: McLachlan, J.R., Stanley, D.A., Garcia, J.A. et al. Toward the performance assessment of advanced nuclear waste forms: temperature dependence of lanthanide borosilicate glass dissolution. npj Mater Degrad 10, 44 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00756-1

الكلمات المفتاحية: زجاج النفايات النووية, بوروسيليكات اللانثانيد, الدفن الجيولوجي, تآكل الزجاج, نفايات مشعة عالية المستوى