לקראת הערכת הביצועים של צורות פסולת גרעינית מתקדמות: תלות הקילוח בזכוכית בורוסיליקטית של לנתנידים בטמפרטורה

מדוע אחסון פסולת גרעינית בטוח יותר חשוב

כורים גרעיניים מודרניים ותכנונים מתקדמים עתידיים יכולים לייצר חשמל ללא פליטות פחמן, אך הם גם משאירים אחריהם פסולת רדיואקטיבית עזה שיש להפריד מאנשים ומהסביבה למשכי זמן של אלפי שנים. אחת הדרכים המבטיחות לכך היא לקבע את הפסולת בתוך זכוכית שתוכננה במיוחד, ולאחסן את הזכוכית הזאת עמוק מתחת לקרקע. המחקר שואל שאלה פשוטה אך קריטית: כיצד סוג מתקדם אחד של זכוכית פסולת מתנהג במים חמים לאורך זמן, והאם ניתן לכמת את ההתנהגות הזו באופן מהימן מספיק כדי לסמוך על המודלים שלנו של אתר הטמנה עתידי?

קיבוע הרדיואקטיביות בזכוכית

פסולת רדיואקטיבית ברמה גבוהה אינה מאוחסנת כאבקה חופשית או כנוזל. במקום זאת, היא נמסה בדרך כלל לזכוכית יציבה שמאגדת בתוכה יסודות כימיים רבים ברשת מוצקה מסועפת. תכניות בינלאומיות לבטיחות נשענות על שכבות הגנה מרובות: הפסולת מוקבעת תחילה בזכוכית עמידה, מאתרת במכלים חזקים, ולבסוף מונחת ברכסי סלע נבחרים, עמוק מתחת לפני השטח. כדי לחזות עד כמה המערכת הזו תעבוד לאורך מאות אלפי שנים, מדענים בונים מודלים להערכת ביצועים שמדמים כמה מהר אטומים רדיואקטיביים עלולים להשתחרר מהזכוכית אם מים יגיעו אליה. המודלים טובים רק כמו הנתונים שנכנסים אליהם, ובמיוחד נתונים על האופן שבו טמפרטורה וכימיה של המים משפיעים על התכה של הזכוכית.

מבט חדש על זכוכית פסולת מתקדמת

המחקר מתמקד בזכוכית בורוסיליקטית של לנתנידים (LaBS), קבוצה של חומרים שתוכננה לקלוט כמויות גדולות של יסודות קשים כגון פלוטוניום, אמריציום וקוריום. זכוכיות LaBS קשיחות יותר ועמידות לחום מאשר זכוכיות הפסולת הנפוצות יותר המשמשות בכורים של היום, והן יכולות להכיל באופן בטוח תכולות גבוהות יותר של מתכות רדיואקטיביות מכיוון שברשת שלהן כבר יש ריכוזים גבוהים של לנתנידים הסופגים נייטרונים. המחברים חוקרים דגימה מתועדת היטב בשם AmCm2-19, שפיתחו במקור כדי לקבע פסולת עשירה באמריציום וקוריום, ומשווים את התנהגותה במים לזכוכית ייחוס נפוצה הידועה בשם International Simple Glass-1 (ISG-1). שתי הדוגמאות נחשפות למים טהורים בטמפרטורות שבין חמות (50 °C) לחמות מאוד (250 °C) לפי מבחן עמידות סטנדרטי.

כיצד החום משנה את תגובת הזכוכית עם המים

כשזכוכית יושבת במים, חלק מהאטומים המרכיבים אותה נעים בהדרגה אל הנוזל. על ידי מדידת קצב השחרור של יסודות מרכזיים כמו בורון וסיליקון, הצוות עוקב אחר קצב ההמסתה שלה. עבור זכוכית AmCm2-19, קצבי השחרור עולים ככל שהמים מתחממים אך לאחר מכן מתאזנים סביב 150 °C. התאמצות זו מרמזת שהמים הגיעו לרוויה: הם אינם מסוגלים להמיס עוד מהיסודות הללו, ונוצר מצב מגן עדין, שעשוי לכלול שכבת שינוי דקה או שלבים מינרליים מיקרוסקופיים חדשים. באופן מעניין, זכוכית LaBS המתקדמת הזו מרוייהת את המים בריכוזים הממומסים הנמוכים בהרבה מאלה של זכוכית הייחוס, דבר שמצביע על סוגים שונים של תרכובות משניות שעשויות להיווצר בכל מערכת.

בהסתכלות לתוך הזכוכית וכימות עמידותה

כדי להשיג מספרים שניתן להשתמש בהם במודלים, המחברים מיישרים את הנתונים התלויים בטמפרטורה לקשר מארטניסי, שמקשר בין קצב תגובה לטמפרטורה. בשימוש רק בתנאים שלפני הרוויה (50 ו-100 °C), הם מניבים אנרגיות הפעלה המתארות עד כמה קצב ההמסתה רגיש לטמפרטורה. עבור AmCm2-19, הערכים האלה צנועים, בטווח של כ-15–25 קילוג'ול למול, ודומים לאלה שנמצאו בכמה קומפוזיציות LaBS קודמות. לעומת זאת, זכוכיות פסולת גרעינית קונבנציונליות יותר מראות לעיתים אנרגיות הפעלה גבוהות בהרבה, כלומר קצבי התגובה שלהן משתנים בצורה חדה יותר עם הטמפרטורה. הצוות גם בוחן כיצד לנתנידים שונים נפלטים מהזכוכית ומגלה שלנתנידים קלים יש נטייה להיכנס למים ביתר קלות מאשר כבדות, מה שמשקף עד כמה הם מאוגדים בתוך רשת הזכוכית.

בדיקה לנזק נסתר

מכיוון שמבחני החום הגבוהים מרמזים שהמים מגיעים לרוויה, החוקרים ערכו ניסוי נפרד קיצוני יותר שמטרתו לעודד תוצרי שינוי ניתנים לזיהוי. הם חשפו אבקה דקה של זכוכית AmCm2-19 למים חמים ב-200 °C במשך יותר משבועיים, ואז בדקו את החומר בעזרת דיפרקציית קרני-X של אבקות ומיקרוסקופ אלקטרוני. שיטות אלו יכולות לחשוף גבישים חדשים או שכבות שעל פני השטח של הזכוכית. המדידות מראות רק שינויים מינוריים: שלב גבישי קטן שקדם לניסוי נראה כמצטמצם, ולא זוהו גבישים חדשים בולטים או ציפויים עבים על פני השטח. מיפוי יסודות של משטחי הזכוכית לפני ואחרי ההמסתה גם מראה קומפוזיציות כמעט זהות, מה שמרמז שכל שכבת שינוי מגוננת, אם קיימת, היא דקה ביותר.

מה משמעות הדבר עבור מחסני הפסולת העתידיים

מנקודת מבט ציבורית, המסר המרכזי הוא כי זכוכית פסולת גרעינית מתקדמת זו נשארת יציבה למדי גם במים חמים מאוד, והתדרדרותה מאטה ברגע שהנוזל הסובב מגיע לרוויה של רכיבים מומסים. המחקר מספק חלק מהמספרים הראשונים המפורטים התלויים בטמפרטורה לגבי אופן המסתה של זכוכית LaBS, ומעניק למנתחי בטיחות כלים טובים יותר לחזות את התנהגותה לטווח הארוך מתחת לקרקע. אמנם יש לחקור הרבה יותר קומפוזיציות ותנאים, אך עבודה זו מקרבת את התחום לכיוונן של צורות פסולת ומודלים שניתן לסמוך עליהם לשמור על הרדיואקטיביות כלואה עמוק בתוך כדור הארץ למשכי זמן שמעבר לכל אופק תכנון אנושי.

ציטוט: 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

מילות מפתח: זכוכית פסולת גרעינית, בורוסיליקט של לנתנידים, הטמנה גאולוגית, התכה של זכוכית, פסולת רדיואקטיבית ברמה גבוהה