Operando-observation av lösningskinetik och bildning av altererande skikt i tungjonbestrålat borosilikatglas

Varför säkrare lagring av kärnavfall bygger på glas

Kärnkraftverk lämnar efter sig starkt radioaktiva kvarlevor som måste låsas in säkert i tiotusentals år. En av de ledande strategierna är att fånga in dessa rester i block av särskilt formulerat glas. Men under så långa perioder blir glaset bombarderat inifrån av strålning och utsatt för grundvatten. Denna studie ställer en avgörande fråga: hur förändrar strålskador sättet på vilket detta glas långsamt löses upp och bildar ett skyddande skikt när vatten så småningom når det?

Hur avfallsglas möter vatten djupt under jord

Borosilikatglas, materialet som studerats här, används redan eller är planerat för många kärnavfallsprogram eftersom det kan binda många olika radioaktiva element och är relativt motståndskraftigt mot vattenattack. När vatten till slut når ett glasblock i ett geologiskt förvar, löser det inte upp glaset som socker i te. Istället växer ett komplext tunt, kiselsyrerikt ”ytaltereringslager” på utsidan. Detta lager kan bromsa vidare angrepp genom att fungera som ett filter och en barriär. Samtidigt skadas glaset kontinuerligt inifrån av strålningen från det inneslutna avfallet. Den skadan omorganiserar glasets struktur på mikroskopisk skala, men dess inverkan på långsiktigt vattenmotstånd har varit osäker och föremål för intensiv debatt.

Att iaktta glaskorrosion i realtid

Forskarna arbetade med ett enkelt, välkarakteriserat natrium-borosilikatglas. För att efterlikna extrem självbestrålning bombarderade de en yta av ett glasblock med mycket energirika guljoner, vilket skapade en kraftigt skadad zon ungefär 50 mikrometer tjock. De monterade därefter blocket i en uppvärmd flödescell innehållande en natriumbikarbonatlösning, vald för att efterlikna svagt alkalisk grundvatten. Med en laserbaserad metod kallad Raman-spektroskopi skannade de upprepade gånger samma mikroskopiska linje genom glaset, vattnet och det växande ytlagret under nästan två veckor. Detta operando-förfarande gjorde det möjligt att i realtid följa hur snabbt glassytan drog sig tillbaka, hur altereringslagret tjocknade och hur de interna ringlika byggstenarna i kiselns nätverk utvecklades.

Strålning gör glas mer benäget att lösas upp

Genom att jämföra den bestrålade sidan med en oskadd sida av samma prov och med tidigare försök fann teamet att strålskador avsevärt påskyndar glasets upplösning. Inledningsvis löste sig det bestrålade glaset ungefär två och en halv gång snabbare än icke-bestrålat glas under i stort sett identiska förhållanden. När angreppet fortskred och upplösningsfronten nådde övergången mellan kraftigt skadade och oskadade områden ökade hastigheten igen och blev tillfälligt ännu högre. Först efter att hela den skadade zonen hade ersatts av ett kiselsyrerikt lager sjönk hastigheten, men även de senare ”residuala” hastigheterna låg över de som mättes på den icke-bestrålade sidan. Genom hela experimentet visade Raman-data att strålningen hade brutit upp det ursprungliga nätverket av kisel–syre- och bor–syre-enheter, vilket lämnade mer svagt kopplade strukturer som reagerar lättare med vatten.

Hur det skyddande skiktet växer och förändras

Ytaltereringslagret som bildades över den bestrålade regionen var ungefär dubbelt så tjockt som det som växte över den oskadda sidan. Högupplöst bildanalys visade att det inte var homogent: det fanns en yttre slät zon, ett mellanlager med annorlunda inre packning och en innerzon bestående av fina lameller eller ränder. Raman-mätningar översatte dessa texturer till skillnader i kiselsyra-ringstorlekar och koppling. Större, mer polymeriserade ringar dominerade vissa zoner, medan mindre ringar och vattentäta strukturer dominerade andra. Genom att delvis ersätta lösningen med tungt vatten (D₂O) mitt i experimentet kunde teamet följa hur vatten rörde sig genom detta lager på lager-skikt. De fann att mellanzonen fungerade som en partiell flaskhals för diffusion, medan yttre zonen gradvis blev mer begränsande när den mognade.

Vad detta betyder för säkerheten vid kärnavfall

För icke-specialister är huvudbudskapet att strålskador gör kärnavfallsglas kemiskt mer ”reaktivt”: det löses snabbare i vatten och bildar ett tjockare men strukturellt mer komplext skyddsskikt. Skiktets interna arkitektur—dess band och lameller—påverkar starkt hur lätt vatten och lösta ämnen kan röra sig igenom det, och dessa egenskaper förändras över tid. Resultaten stödjer en bild där glas löses upp och kisel återutfälls på ett tätt kopplat sätt vid en rörlig reaktionsfront, snarare än genom enkel lakning ensam. För långsiktiga säkerhetsbedömningar innebär detta att både strålskador och den förändrade strukturen i ytlagret måste beaktas när man förutser hur snabbt radionuklider kan frisättas från vitrifierat avfall djupt under jord.

Citering: 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

Nyckelord: glas för kärnavfall, strålskador, glaskorrosion, ytaltereringslager, borosilikatglas