תצפית אופראנדו על קינטיקה של התמססות והתהוות שכבת שינוי של זכוכית בורוסיליקט שנחשפה לקרינה של יונים כבדים

מדוע אחסון בטוח יותר של פסולת גרעינית תלוי בזכוכית

תחנות כוח גרעיניות מותירות אחריהן שאריות ברמת רדיואקטיביות גבוהה שיש לאטום בבטחה לעשרות אלפי שנים. אחת האסטרטגיות המרכזיות היא לכלא שאריות אלה בתוך בלוקים של זכוכית שנוסחה במיוחד. אך על פני תקופות כה ארוכות, הזכוכית נדחפת מבפנים על‑ידי קרינה ונחשפת למי תהום מבחוץ. המחקר בודק שאלה מרכזית: כיצד נזקי קרינה משנים את הדרך שבה זכוכית זו מתמוססת לאט ויוצרת עור מגן כאשר מים בסופו של דבר מגיעים אליה?

איך זכוכית פסולת פוגשת מים בעומק האדמה

החומר שנחקר כאן הוא זכוכית בורוסיליקט, שכבר בשימוש או בתכנון עבור תוכניות רבות של פסולת גרעינית מכיוון שהיא יכולה לאחוז מגוון יסודות רדיואקטיביים ומגלה עמידות יחסית בפני מים. כאשר מים בסופו של דבר מגיעים לבלוק זכוכית במאגר גאולוגי, הם אינם פשוט אוכלים את הזכוכית כמו סוכר בתה. במקום זאת מתפתחת שכבה דקה ומורכבת, עשירה בסיליקה, שנקראת «שכבת שינוי פני השטח». שכבה זו יכולה להאט את ההתקדמות של ההתפרקות על ידי פעולתה כמסננת ומחסום. במקביל, הזכוכית ניזוקה כל העת מבפנים על‑ידי הקרינה מן הפסולת הכלואה. נזק זה מארגן מחדש את מבנה הזכוכית בקנה מידה מיקרוסקופי, אך השפעתו על עמידות ארוכת הטווח בפני מים נותרה לא ברורה ולעתים שנויה במחלוקת.

צפייה בהתאכלות הזכוכית בזמן אמת

החוקרים עבדו עם זכוכית נתרנית‑בורוסיליקט פשוטה ומאופיינת היטב. כדי לדמות הקרנה עצמית קיצונית, הם הפציצו פאה אחת של בלוק הזכוכית ביוני זהב בעלי אנרגיה גבוהה, ויצרו אזור שנפגע קשות בעובי כ־50 מיקרומטר. הם הרכיבו אז את הבלוק בתא זרימה מחומם הכולל תמיסת ביקרבונט נתרן, שנבחרה לדמות מי תהום מעט בסיסיים. באמצעות שיטה לייזרית בשם ספקטרוסקופיית ראמן הם סרקו שוב ושוב קו מיקרוסקופי זהה שחוצה זכוכית, מים והשכבה המתפתחת במשך כמעט שבועיים. גישת אופראנדו זו אפשרה להם לעקוב בזמן אמת עד כמה משטח הזכוכית נסוג, כיצד עובית שכבת השינוי וגובשה, וכיצד היחידות הטבעיות הטבעתיות של רשת הסיליקה התפתחו פנימית.

הקרינה מקלה על התמססות הזכוכית

בהשוואה לצד שלא ניזוק מאותו דגם ובניסוי מוקדם יותר, הצוות מצא שנזקי קרינה מאיצים במידה ניכרת את התמססות הזכוכית. בתחילה נמסה הזכוכית שנפגעה בכ־2.5 פעמים מהר יותר מזו שלא נחשפה לקרינה בתנאים כמעט זהים. כאשר ההתקפה התקדמה וקידמה את חזית ההתמוססות עד המעבר בין האזורים הנפגעים בחומר והאזורים שלא נפגעו, הקצב זינק שוב, והפעם באופן זמני אף גבוה יותר. רק לאחר שכל אזור הנזק הוחלף בשכבה עשירה בסיליקה ירד הקצב, אך אף קצבי ה"שארית" המתקדמים מאוחר יותר נשארו גבוהים בהשוואה לאלה שנמדדו בצד שלא ניזוק. לאורך כל הדרך נתוני הראמן הראו שהקרינה פרקה את רשת היחידות סיליקון–חמצן ובורון–חמצן המקורית, והשאירה מבנים פחות מחוברים שגופים עם מים מגיבים אתם בקלות רבה יותר.

כיצד השכבה המגנה גדלה ומשתנה

שכבת השינוי שנוצרה מעל האזור שנפגע הייתה בערך כפולה בעוביה מזו שגדלה על הצד שלא ניזוק. הדמיה ברזולוציה גבוהה גילתה שהיא לא אחידה: הייתה באזור חיצוני חלק, כריך ביניים עם דחיסות פנימית שונה ואזור פנימי המורכב מלאמלה־עד־פסים דקים. מדידות ראמן תרגמו טקסטורות אלו להבדלים בגודל הטבעות של הסיליקה ובחיבורה. טבעות גדולות וממולגות יותר שלטו באזורים מסוימים, בעוד שבאזורים אחרים שלטו טבעות קטנות יותר ומבנים עשירים במים. על‑ידי החלפת חלקית של התמיסה במי כבד (D2O) בחלקו השני של הניסוי, יכלו החוקרים לעקוב כיצד המים נעים דרך העור השכבתי הזה. הם מצאו שהחלק האמצעי שימש כמחסום חלקי לדיפוזיה, בעוד שהאזור החיצוני הפך בהדרגה ליותר מונע חדירה ככל שהוא התבגר.

מה משמעות הממצא לבטיחות הפסולת הגרעינית

עבור קוראים שאינם מומחים, המסר המרכזי הוא שנזקי קרינה עושים את זכוכית הפסולת הגרעינית כימית יותר "תגובתית": היא נמסה מהר יותר במים ויוצרת עור מגן עבה יותר אך מורכב במבנהו. האדריכלות הפנימית של העור—הפסים והלאמלות—משפיעה במידה רבה על קלות החדירה של מים וסוגי חומרים מומסים דרכו, ותכונות אלה משתנות עם הזמן. הממצאים תומכים בתמונה שבה הזכוכית נמסה והסיליקה משקעת מחדש באופן צמוד בחזית תגובה נעה, במקום רק דרך הליחה הפשוטה. עבור הערכות בטיחות ארוכות טווח, המשמעות היא שיש להביא בחשבון גם את נזקי הקרינה וגם את השינוי במבנה שכבת הפנים בעת חיזוי כמה מהר רדיונוקלידים עלולים להשתחרר מפסולת מזוככת בעומק האדמה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: זכוכית לפסולת גרעינית, נזקי קרינה, התאכלות זכוכית, שכבת שינוי פני השטח, זכוכית בורוסיליקט