Verso la valutazione delle prestazioni di forme avanzate di rifiuti nucleari: dipendenza dalla temperatura della dissoluzione del vetro borosilicatico alle terre rare

Perché è importante un deposito più sicuro per i rifiuti nucleari

Gli impianti nucleari moderni e i progetti avanzati futuri possono generare elettricità senza emissioni di carbonio, ma lasciano anche rifiuti intensamente radioattivi che devono essere isolati da persone e ambiente per migliaia di anni. Una delle soluzioni più promettenti è immobilizzare i rifiuti in vetro progettato appositamente, quindi stoccare quel vetro in profondità nel sottosuolo. Questo studio pone una domanda semplice ma cruciale: come si comporta un tipo avanzato di vetro per rifiuti in acqua calda per lunghi periodi, e possiamo quantificare quel comportamento abbastanza bene da fidarci dei nostri modelli per un futuro deposito?

Imprigionare la radioattività nel vetro

I rifiuti radioattivi ad alta attività non vengono conservati come polvere o liquido libero. Di norma vengono fusi in un vetro robusto che trattiene molti elementi chimici diversi in una rete solida e disordinata. I piani di sicurezza internazionali prevedono più barriere: i rifiuti vengono prima immobilizzati nel vetro durevole, sigillati in contenitori resistenti e infine collocati in formazioni rocciose scelte con cura in profondità. Per prevedere quanto bene questo sistema funzionerà nell’arco di centinaia di migliaia di anni, gli scienziati costruiscono modelli di valutazione delle prestazioni che simulano la velocità con cui atomi radioattivi potrebbero sfuggire dal vetro se l’acqua vi arrivasse. Questi modelli sono validi nella misura in cui lo sono i dati inseriti, in particolare quelli su come temperatura e chimica dell’acqua influenzano la corrosione del vetro.

Uno sguardo nuovo su un vetro avanzato per rifiuti

La ricerca si concentra sul vetro borosilicatico alle terre rare (LaBS), una classe di materiali progettata per ospitare grandi quantità di elementi difficili come plutonio, americio e curio. I vetri LaBS sono più robusti e più resistenti al calore rispetto ai vetri per rifiuti più comuni usati negli impianti odierni, e possono incorporare in tutta sicurezza contenuti più elevati di metalli radioattivi perché la loro struttura contiene già molte terre rare che assorbono neutroni. Gli autori studiano un campione ben caratterizzato chiamato AmCm2-19, sviluppato originariamente per immobilizzare rifiuti ricchi di americio e curio, e confrontano il suo comportamento in acqua con un vetro di riferimento ampiamente usato noto come International Simple Glass-1 (ISG-1). Entrambi sono esposti ad acqua pura a temperature che vanno da tiepido (50 °C) a molto caldo (250 °C) seguendo un test di durabilità standardizzato.

Come il calore modifica la reazione vetro–acqua

Quando il vetro è a contatto con l’acqua, alcuni dei suoi atomi costituenti si trasferiscono lentamente nel liquido. Misurando la velocità con cui elementi chiave come boro e silicio lasciano il vetro, il gruppo segue la sua velocità di dissoluzione. Per il vetro AmCm2-19, queste velocità di rilascio aumentano con l’aumento della temperatura dell’acqua ma poi si appiattiscono intorno a 150 °C. Questo livellamento suggerisce che l’acqua è diventata satura: non può più dissolvere quantità maggiori di quegli elementi, e si raggiunge uno stato protettivo sottile, possibilmente dovuto a uno strato di alterazione superficiale o a nuove fasi minerali microscopiche. È interessante che questo vetro LaBS avanzato saturi l’acqua con concentrazioni di elementi disciolti molto inferiori rispetto al vetro di riferimento, indicando la formazione di tipi diversi di composti secondari in ciascun sistema.

Esaminare il vetro e quantificarne la resistenza

Per ottenere numeri utili ai modellisti, gli autori adattano i loro dati dipendenti dalla temperatura a una relazione di Arrhenius, che lega la velocità di reazione alla temperatura. Usando solo le condizioni precedenti alla saturazione (50 e 100 °C), ricavano energie di attivazione che descrivono quanto la velocità di dissoluzione è sensibile alla temperatura. Per AmCm2-19 questi valori sono modesti, nell’ordine di circa 15–25 chilojoule per mole, e simili a quelli riscontrati in alcune composizioni LaBS precedenti. In confronto, i vetri per rifiuti nucleari più convenzionali mostrano spesso energie di attivazione molto più elevate, il che significa che le loro velocità di reazione cambiano più bruscamente con la temperatura. Il gruppo studia anche come diversi elementi delle terre rare migrano dal vetro e trova che le terre rare più leggere tendono a eluire più facilmente di quelle più pesanti, riflettendo quanto fortemente sono trattenute nella rete del vetro.

Cercare danni nascosti

Poiché i test ad alta temperatura suggeriscono che l’acqua diventa satura, i ricercatori eseguono un esperimento separato e più estremo volto a favorire la comparsa di prodotti di alterazione visibili. Espongono una polvere fine del vetro AmCm2-19 ad acqua calda a 200 °C per oltre due settimane, quindi osservano il materiale con diffrazione a raggi X su polvere e microscopio elettronico. Questi metodi possono rivelare nuovi cristalli o strati che potrebbero formarsi sulla superficie del vetro. Le misure mostrano solo cambiamenti minori: una piccola fase cristallina preesistente sembra ridursi e non vengono rilevati nuovi cristalli evidenti né spesse incrostazioni superficiali. La mappatura elementale delle superfici del vetro prima e dopo l’eluizione mostra anche composizioni praticamente identiche, il che implica che qualsiasi strato di alterazione protettivo, se presente, è estremamente sottile.

Cosa significa per i futuri depositi di rifiuti

Dal punto di vista non specialistico, il messaggio chiave è che questo vetro avanzato per rifiuti nucleari rimane abbastanza stabile anche in acqua molto calda, e il suo deterioramento rallenta una volta che il liquido circostante raggiunge la saturazione con componenti disciolti. Lo studio fornisce alcuni dei primi numeri dettagliati dipendenti dalla temperatura su come si dissolve un vetro LaBS, offrendo agli analisti della sicurezza strumenti migliori per prevederne il comportamento a lungo termine sottoterra. Sebbene debbano essere esplorate molte più composizioni e condizioni, questo lavoro avvicina il campo a forme di rifiuto e a modelli che possano essere ritenuti affidabili per mantenere la radioattività confinata in profondità nella Terra per intervalli di tempo ben oltre qualsiasi orizzonte di pianificazione umano.

Citazione: 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

Parole chiave: vetro per rifiuti nucleari, borosilicato alle terre rare, smaltimento geologico, corrosione del vetro, rifiuti radioattivi ad alta attività