重イオン照射されたホウケイ酸塩ガラスの溶解動力学と変質層形成のオペランド観察

より安全な核廃棄物保管がガラスに依存する理由

原子力発電所は、何万年にもわたって安全に隔離する必要がある高放射性の残留物を残します。主要な戦略の一つは、これらの残留物を特別に配合したガラスの塊に閉じ込めることです。しかし、長期間にわたりガラスは内部から放射線にさらされ、地下水に接触することになります。本研究は重要な疑問を投げかけます：放射線による損傷は、このガラスがゆっくりと溶け、地下水が到達したときに形成される保護的な皮膜の作り方をどのように変えるのか？

深部地下でガラスが水と出会うとき

ここで調べたホウケイ酸塩ガラスは、多様な放射性元素を閉じ込められ、耐水性が高いため、多くの核廃棄物処分計画で既に採用されているか検討されています。地下処分場で水がガラス塊に到達しても、砂糖が紅茶に溶けるように単純にガラスが溶け去るわけではありません。代わりに、外側に薄い、ケイ素に富んだ複雑な「表面変質層」が成長します。この層はフィルターやバリアとして作用し、さらなる侵食を遅らせる可能性があります。一方で、ガラスは内部から閉じ込められた廃棄物からの放射線で常に損傷を受けています。その損傷は微視的なスケールでガラス構造を再配列しますが、長期的な耐水性に与える影響はこれまで不確かで熱い議論の的でした。

ガラスの腐食をリアルタイムで観察する

研究者たちは、単純で良く特徴付けられたナトリウム含有ホウケイ酸塩ガラスを用いました。極端な自己放射線照射を模擬するため、ガラス塊の一面を非常に高エネルギーの金イオンで照射し、約50マイクロメートルの厚さの深刻に損傷した領域を作りました。次に、その塊を加温されたフローセルに取り付け、弱アルカリ性の地下水を模した重炭酸ナトリウム溶液を流しました。レーザーを用いるラマン分光という手法で、ガラス・水・成長する表面層を横切る同じ微小線をほぼ2週間にわたって繰り返し走査しました。このオペランド（作動下）手法により、ガラス表面がどれだけ速く後退するか、変質層がどのように厚くなるか、そしてケイ素ネットワークを構成する内部のリング状構成要素がどのように変化するかをリアルタイムで追跡できました。

放射線はガラスをより溶けやすくする

同一試料の照射側と無損傷側、さらに以前の実験と比較すると、放射線損傷はガラスの溶解を大幅に促進することがわかりました。初期には、照射されたガラスはほぼ同一条件下の非照射ガラスより約2.5倍速く溶解しました。侵食が進行して溶解前線が強く損傷した領域と無損傷領域の遷移に達すると、速度は再び一時的に急増してさらに高くなりました。損傷領域全体がケイ素に富む層に置き換わった後にようやく速度は低下しましたが、その後の「残留」速度でさえ非照射側より高いままでした。ラマンデータは一貫して、放射線が元のケイ素–酸素およびホウ素–酸素単位のネットワークを壊し、水とより反応しやすい弱く連結した構造を残したことを示しました。

保護的皮膜はどのように成長し変化するか

照射領域上に形成された表面変質層は、無損傷側に形成されたもののおよそ2倍の厚さでした。高解像度イメージングはそれが均一でないことを明らかにしました：外側の滑らかな層、中間に別の内部配列を持つ帯、そして細かなラメラ（薄板）や縞からなる内側の領域がありました。ラマン測定はこれらのテクスチャをケイ素のリングサイズと連結性の差に対応させました。より大きく高分子化したリングがある領域を支配し、他の領域では小さなリングや水に富む構造が優勢でした。実験途中で溶液の一部を重水（D₂O）に置換することで、研究チームは水がこの多層的な皮膜をどのように通過するかを追跡できました。中間帯は拡散に対する部分的なボトルネックとして働き、外側帯は成熟するにつれて徐々により制限的になっていくことがわかりました。

核廃棄物の安全性にとっての意味

専門外の方への要点は、放射線損傷によって核廃ガラスは化学的により「反応性」が高くなるということです：水中でより速く溶解し、より厚くしかし構造的により複雑な保護的皮膜を形成します。この皮膜の内部構造—帯状やラメラといった特徴—は、水や溶質がどれだけ容易に通過するかを強く左右し、これらの特徴は時間とともに進化します。これらの知見は、ガラスが単純な溶脱だけでなく、移動する反応前線で溶解とケイ素の再沈着が密接に結び付いて進むという図像を支持します。長期的な安全評価においては、放射線損傷と表面層の変化する構造の両方を考慮に入れて、 vitrified（ガラス固化）廃棄物から放射性核種が地下深くからどれくらい速く放出され得るかを予測する必要があります。

引用: 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

キーワード: 核廃ガラス, 放射線損傷, ガラス腐食, 表面変質層, ホウケイ酸塩ガラス