Операндное наблюдение кинетики растворения и формирования слоя изменения поверхности в облучённом тяжёлыми ионами боросиликатном стекле

Почему более безопасное хранение ядерных отходов зависит от стекла

Атомные электростанции оставляют после себя сильно радиоактивные остатки, которые нужно надёжно изолировать в течение десятков тысяч лет. Одна из основных стратегий — запечатать эти остатки внутри блоков специально подобранного стекла. Но на таких временных масштабах стекло подвергается внутреннему бомбардированию радиацией и воздействию подземных вод. В этом исследовании поставлен ключевой вопрос: как радиационное повреждение меняет скорость медленного растворения этого стекла и образование защитной «кожи», когда вода до него доберётся?

Как стекло для отходов встречает воду глубоко под землёй

Боросиликатное стекло, материал, изученный в работе, уже используется или планируется к использованию во многих программах захоронения, потому что оно удерживает множество разных радиоактивных элементов и сопротивляется воздействию воды. Когда вода в конце концов достигает блока стекла в геологическом хранилище, она не просто «растворяет» стекло, как сахар в чае. Вместо этого на внешней поверхности образуется тонкий, богатый кремнезёмом «слой изменения поверхности». Этот слой может замедлять дальнейшее разрушение, действуя как фильтр и барьер. В то же время стекло непрерывно повреждается изнутри радиацией от захороненных отходов. Эти повреждения перестраивают структуру стекла на микроскопическом уровне, но их влияние на долговременную стойкость к воде оставалось неопределённым и активно обсуждалось.

Наблюдение коррозии стекла в реальном времени

Исследователи работали с простым, хорошо охарактеризованным натрий‑боросиликатным стеклом. Чтобы имитировать экстремальное самоповреждение радиацией, одну грань блока стекла облучали очень энергичными ионами золота, создав сильно повреждённую зону толщиной около 50 микрометров. Затем блок поместили в нагреваемую проточную ячейку с раствором гидрокарбоната натрия, выбранным как аналог слабо щелочной грунтовой воды. С помощью лазерного метода — рамановской спектроскопии — они многократно сканировали одну и ту же микроскопическую линию через стекло, воду и растущий поверхностный слой почти две недели. Такой операндный подход позволил отслеживать в реальном времени, насколько быстро отступает поверхность стекла, как утолщается слой изменения и как эволюционируют внутренние кольцеобразные строительные блоки кремнезёмной сети.

Радиация делает стекло более склонным к растворению

Сравнивая облучённую сторону с не повреждённой стороной того же образца и с предыдущими экспериментами, команда обнаружила, что радиационное повреждение существенно ускоряет растворение стекла. Изначально облучённое стекло растворялось примерно в два с половиной раза быстрее, чем необлучённое при почти одинаковых условиях. По мере продвижения атаки и достижения фронтом растворения перехода между сильно повреждённой и неповреждённой зонами скорость снова возрастала, временно став ещё выше. Только после того, как вся повреждённая зона была заменена кремнезём‑богатым слоем, скорость падала, но даже последующие «остаточные» скорости оставались выше, чем на стороне без облучения. Рамановские данные показывали, что радиация разрушила исходную сеть кремний‑кислородных и бор‑кислородных узлов, оставив более слабо связанные структуры, которые легче реагируют с водой.

Как растёт и меняется защитная «кожа»

Слой изменения поверхности, сформировавшийся над облучённой областью, был примерно вдвое толще, чем слой над неповреждённой стороной. Съёмка с высоким разрешением показала, что он не был однородным: имелась наружная гладкая зона, промежуточная полоса с иной внутренней укладкой и внутренняя зона, состоящая из тонких ламелей или полос. Рамановские измерения связали эти текстуры с различиями в размерах кремнезёмных колец и степени их связности. В одних зонах преобладали крупные, более полимеризованные кольца, в других — более мелкие кольца и обогащённые водой структуры. Частичная замена раствора тяжёлой водой (D₂O) в ходе эксперимента позволила проследить, как вода перемещается через этот слоистый покров. Они обнаружили, что средняя зона действует как частичное узкое место для диффузии, в то время как наружная зона по мере созревания постепенно становится более ограничивающей.

Что это значит для безопасности захоронения ядерных отходов

Для неспециалистов главное сообщение в том, что радиационное повреждение делает стекло для ядерных отходов более химически «активным»: оно растворяется быстрее в воде и формирует более толстый, но структурно более сложный защитный слой. Внутренняя архитектура этого слоя — его полосы и ламели — сильно влияет на то, насколько легко вода и растворённые вещества могут через него перемещаться, и эти характеристики со временем эволюционируют. Результаты подтверждают картину, где растворение стекла и повторное осаждение кремнезёма идут в тесной связке на движущемся фронте реакции, а не только простым вымыванием. Для долгосрочной оценки безопасности это означает, что при прогнозировании скорости возможного выхода радионуклидов из закалённого стекла глубоко под землёй следует учитывать как радиационные повреждения, так и меняющуюся структуру поверхностного слоя.

Цитирование: 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

Ключевые слова: стекло для захоронения ядерных отходов, повреждение радиацией, коррозия стекла, слой изменения поверхности, боросиликатное стекло