Osservazione operando della cinetica di dissoluzione e della formazione dello strato di alterazione in vetro borosilicato irradiato con ioni pesanti

Perché lo stoccaggio più sicuro dei rifiuti nucleari dipende dal vetro

Le centrali nucleari lasciano dietro di sé residui altamente radioattivi che devono essere isolati in sicurezza per decine di migliaia di anni. Una delle strategie principali consiste nel intrappolare questi residui all’interno di blocchi di vetro formulato appositamente. Ma su intervalli di tempo così lunghi il vetro è bombardato dall’interno dalle radiazioni e viene a contatto con acque sotterranee. Questo studio pone una domanda cruciale: in che modo il danno da radiazione altera il modo in cui questo vetro si dissolve lentamente e forma una pelle protettiva quando l’acqua lo raggiunge?

Come il vetro dei rifiuti incontra l’acqua in profondità

Il vetro borosilicato, il materiale studiato qui, è già impiegato o previsto in molti programmi per rifiuti nucleari perché può incorporare diversi elementi radioattivi e resiste all’attacco dell’acqua. Quando l’acqua raggiunge finalmente un blocco di vetro in un deposito geologico, non lo dissolve semplicemente come lo zucchero nel tè. Piuttosto, si sviluppa uno strato sottile e complesso, ricco di silice, chiamato “strato di alterazione superficiale”. Questo strato può rallentare l’attacco successivo agendo da filtro e barriera. Allo stesso tempo, il vetro è continuamente danneggiato dall’interno dalle radiazioni provenienti dai rifiuti intrappolati. Quel danno riorganizza la struttura del vetro su scala microscopica, ma il suo impatto sulla resistenza all’acqua a lungo termine è rimasto incerto e oggetto di dibattito.

Osservare la corrosione del vetro in tempo reale

I ricercatori hanno usato un vetro borosilicato sodico semplice e ben caratterizzato. Per simulare un’estrema auto‑irradiazione, hanno bombardato una faccia del blocco di vetro con ioni d’oro ad alta energia, creando una zona fortemente danneggiata di circa 50 micrometri di spessore. Hanno quindi installato il blocco in una cella di flusso riscaldata contenente una soluzione di bicarbonato di sodio, scelta per assomigliare a un’acqua sotterranea debolmente alcalina. Usando un metodo laser basato sulla spettroscopia Raman, hanno scandito ripetutamente la stessa linea microscopica attraverso vetro, acqua e lo strato superficiale in crescita per quasi due settimane. Questo approccio operando ha permesso di tracciare, in tempo reale, la velocità di ritiro della superficie del vetro, lo spessore con cui lo strato di alterazione si addensava e l’evoluzione dei blocchi anulari interni della rete di silice.

La radiazione rende il vetro più incline a dissolversi

Confrontando il lato irradiato con un lato non danneggiato dello stesso campione e con esperimenti precedenti, il team ha rilevato che il danno da radiazione accelera sostanzialmente la dissoluzione del vetro. Inizialmente, il vetro irradiato si dissolveva circa due volte e mezzo più rapidamente rispetto al vetro non irradiato in condizioni quasi identiche. Man mano che l’attacco procedeva e il fronte di dissoluzione raggiungeva la transizione tra le regioni fortemente danneggiate e quelle indenne, la velocità subiva un ulteriore picco, diventando temporaneamente ancora più alta. Solo dopo che l’intera zona danneggiata era stata sostituita da uno strato ricco di silice il tasso diminuiva, ma anche i tassi “residui” successivi restavano superiori a quelli misurati sul lato non irradiato. In tutto l’esperimento i dati Raman hanno mostrato che la radiazione aveva frammentato la rete originale di unità silicio‑ossigeno e boro‑ossigeno, lasciando strutture più debolmente connesse che reagiscono più facilmente con l’acqua.

Come cresce e cambia la pelle protettiva

Lo strato di alterazione superficiale che si è formato sulla regione irradiata era approssimativamente il doppio dello spessore rispetto a quello cresciuto sul lato non danneggiato. Immagini ad alta risoluzione hanno rivelato che non era uniforme: c’era una zona esterna liscia, una banda intermedia con diverso impaccamento interno e una zona interna fatta di lamelle o strisce fini. Le misure Raman hanno tradotto queste texture in differenze nelle dimensioni degli anelli di silice e nella connettività. Anelli più grandi e più polimerizzati dominavano alcune zone, mentre anelli più piccoli e strutture ricche d’acqua prevalevano in altre. Sostituendo parzialmente la soluzione con acqua pesante (D₂O) a metà esperimento, il team ha potuto seguire come l’acqua si muoveva attraverso questa pelle stratificata. Hanno scoperto che la zona intermedia fungeva da collo di bottiglia parziale per la diffusione, mentre la zona esterna diventava progressivamente più restrittiva col suo maturare.

Cosa significa per la sicurezza dei rifiuti nucleari

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che il danno da radiazione rende il vetro per rifiuti nucleari più chimicamente “reattivo”: si dissolve più rapidamente in acqua e sviluppa una pelle protettiva più spessa ma strutturalmente più complessa. L’architettura interna di questa pelle—le sue bande e lamelle—influisce fortemente su quanto facilmente acqua e specie disciolte possono attraversarla, e queste caratteristiche evolvono nel tempo. I risultati supportano uno scenario in cui il vetro si dissolve e la silice si ri‑precipita in modo strettamente accoppiato a un fronte di reazione mobile, piuttosto che per semplice lisciviazione. Per le valutazioni di sicurezza a lungo termine, ciò significa che sia il danno da radiazione sia la variazione strutturale dello strato superficiale devono essere considerati quando si predice la velocità con cui i radionuclidi potrebbero essere rilasciati dal vetro vitrificato in profondità nel sottosuolo.

Citazione: 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

Parole chiave: vetro per rifiuti nucleari, danno da radiazione, corrosione del vetro, strato di alterazione superficiale, vetro borosilicato