辐射对钠硼硅酸盐玻璃基体水淋溶出影响的原子尺度理解

为何放射性废物玻璃重要

谈到核能时，一个最大的问题是如何处理最具放射性的残余物。全球范围内，一种称为钠硼硅酸盐玻璃的特殊玻璃被用来将这些放射性原子固定数千年。本研究在原子尺度上揭示了一个关键问题：当这种玻璃在地下长期受到辐射轰击时，它是否仍能保持对水的抵抗力，还是会逐渐变弱并释放放射性元素？

将放射性封锁在玻璃中

目前的高放射性废物通常溶入熔融的钠硼硅酸盐玻璃并冷却成大型固体块。此类玻璃受欢迎的原因是它能容纳多种化学成分，同时保持稳定并且难以在水中溶解。但在每一块玻璃内部，仍有原子持续衰变，发出高能碎片撞击周围材料。数百年乃至更长时间里，这些微小的“弹道级联”会使原子移位，微妙地重塑玻璃网络。与此同时，地下水最终可能到达废物包裹体，因此理解辐射损伤与水腐蚀如何相互作用至关重要。

在计算机中模拟一百万年

由于无法进行地质年代尺度的实时实验，作者使用大规模分子动力学模拟来模拟当玻璃反复遭受高能回弹原子（例如钚衰变为铀时产生的回弹）撞击时会发生什么。他们构建了一个包含近4万原子的详细虚拟玻璃，然后发射许多高能投射体以模拟数百年的辐射。研究团队分析了硅、硼、氧和钠之间短程连接如何变化，以及玻璃中环与笼状结构的中程网络如何演化。他们还计算了这些结构变化如何影响工程上关心的性质：密度、刚性、耐热性、振动特性，以及钠离子溶出到水中的难易程度。

辐射如何重排玻璃网络

模拟表明，辐射并非简单地在玻璃中打出空洞；它在内部网络上进行微妙的重接。局部而言，沿投射体路径的区域会短暂升温然后迅速“淬冷”，有点类似于对熔体的闪冷。这个过程将一些四配位的硼单元转化为三配位，并产生更多非桥氧——即终止网络而不是连接两个基元的氧原子。与此同时，最初用于平衡电荷的钠离子越来越表现为网络改性剂，聚集在这些断裂键附近。总体上，玻璃略微增密，形成更多的小原子环，并显示出更高的构型无序，尽管其平均密度仅增加约2%。

从结构变化到强度与腐蚀

这些微观调整转化为明显的宏观行为变化。玻璃转变温度——玻璃加热后软化的温点——下降约6%，反映出网络更灵活、更松散。模拟中的力学测试显示，受照射的玻璃刚性和强度下降，杨氏模量与断裂强度分别约降低9%和18%，且失效时表现出稍微更具塑性的特征。当作者将玻璃与水接触时，发现钠离子更容易向界面移动并进入溶液。钠的淋溶速率增加近18%，与具有更多断裂键和富钠团簇的网络更易被水攻击的情况一致。尽管由于未包含键的水解等真实化学反应，绝对速率低于实验测得值，但辐照后腐蚀加速的趋势与实验室观察相符。

剂量率与长期稳定性的作用

重要的是，研究人员探讨了每次回弹事件的能量——“剂量率”——如何影响损伤。在低回弹能量下，每次碰撞后的局部结构可以较好地恢复，低于约10 keV回弹时的玻璃网络与未损伤材料非常相似。在更高能量下，损伤积累：更多小环出现，键角收紧，非桥氧增多，使网络更去聚合且无序。然而在所有情况下，密度、硼的化学型态以及非桥氧含量随剂量趋于饱和，意味着超过某个点后，额外辐射产生的损伤增量逐渐减小。这一行为支持这样的观点：在真实废物库中预期要慢得多的剂量率下，大部分损伤在形成时即可得到退火。

这对放置核废物意味着什么

对普通读者而言，核心信息既有警示也有安慰。辐射确实使核废物玻璃在一定程度上变得不那么刚性，并在与水接触时更容易释放钠，这是通过微妙地松动和重排其原子网络实现的。然而，这些变化是温和的，随累积剂量趋于平稳，并不意味着玻璃会发生灾难性崩溃。模拟表明，钠硼硅酸盐玻璃在很长时间尺度上应能保持总体结构完整性，同时腐蚀仅有适度增加。这支持其作为固定高放射性废物的主要材料的持续使用，同时也强调需要未来的模型将辐射损伤与玻璃–水界面的完整化学反应耦合起来进行研究。

引用: Sahu, P., Ali, S.M. Atomistic understanding of the impact of radiation on the aqueous leaching of sodium borosilicate glass matrix. npj Mater Degrad 10, 47 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-025-00730-3

关键词: 放射性废物玻璃, 辐射损伤, 硼硅酸盐玻璃, 玻璃腐蚀, 分子动力学