对重离子照射硼硅酸盐玻璃溶解动力学与蚀变层形成的原位观测

为什么更安全的核废料贮存依赖于玻璃

核电站产生的高放射性废物必须在数万年内安全封存。主要策略之一是将这些废物包裹在特制配方的玻璃块中。但在如此漫长的时间尺度上，玻璃会从内部受到辐射轰击，同时被地下水浸泡。本研究提出了一个关键问题：辐射损伤如何改变玻璃被水缓慢溶解并在水接触时形成保护性表层的方式？

废玻璃在深部地下如何接触到水

本文研究的材料是硼硅酸盐玻璃，这种材料已被许多核废计划采用或计划采用，因为它能容纳多种放射性元素并且相对耐水侵蚀。当地下水最终到达地质处置库中的玻璃块时，水并不会像在茶中溶解糖那样简单地吞蚀玻璃。相反，外表会长出一层复杂的、富硅的薄“表面蚀变层”。这层薄膜可以通过充当滤层和屏障来减缓进一步的侵蚀。与此同时，玻璃内部还持续受到被封存废物发出的辐射损伤，那些损伤在微观尺度上重排玻璃结构，但其对长期耐水性的影响一直存在不确定性并备受争议。

实时观察玻璃腐蚀

研究人员使用了一种简单且表征良好的钠硼硅酸盐玻璃。为模拟极端的自照射，他们用能量很高的金离子轰击玻璃块的一面，形成了约50微米厚的严重损伤区。随后他们将玻璃块安装在一个加热的流动池中，流动体系含有碳酸氢钠溶液，以模拟微碱性的地下水。利用一种基于激光的拉曼光谱方法，他们在近两周内反复扫描同一条穿过玻璃、水和生长中的表层的显微线。该原位（operando）方法使他们能够实时跟踪玻璃表面后退的速度、蚀变层增厚的情况，以及硅酸网络内部环状构件的演化。

辐射使玻璃更易溶解

将受照射的一侧与同一样品的未损伤一侧以及早期实验结果进行比较，研究团队发现辐射损伤显著加快了玻璃的溶解速率。起初，受照射玻璃在几乎相同条件下的溶解速率约为未照射玻璃的2.5倍。随着侵蚀的推进，当溶解前沿达到重度损伤区与未损伤区的过渡时，速率再次跃升，短暂地变得更高。只有在整个损伤区被富硅的蚀变层替代之后速率才下降，但即使在后期的“剩余”速率也仍高于未照射一侧的测量值。贯穿整个实验，拉曼数据表明辐射打乱了原有的硅-氧和硼-氧网络，留下更多弱连接的结构，这些结构更容易与水发生反应。

保护性“皮”如何生长与演变

在受照射区域上形成的表面蚀变层大约是未损伤一侧的两倍厚。高分辨率成像显示该层并不均匀：有一个外层平滑区、一个内部堆积不同的中间带，以及由细薄片或条纹组成的内层。拉曼测量将这些纹理转化为硅环尺寸与连通性的差异。某些区域以较大、更加聚合的硅环为主，而其他区域则以较小的环和富含水的结构为主。通过在实验中途部分替换溶液为重水（D₂O），团队能够追踪水如何穿过这层分层结构。他们发现中间带对扩散起到部分瓶颈的作用，而外层随着成熟逐渐变得更为阻碍性。

这对核废安全意味着什么

对非专业读者而言，关键信息是：辐射损伤使核废玻璃在化学上更“活泼”——它在水中溶解得更快，并形成更厚但结构更复杂的保护性表皮。该表皮的内部结构——带状和层片状特征——强烈影响水和溶解物种通过它的难易程度，而这些特征会随时间演变。研究结果支持这样一种图景：玻璃溶解与硅的再沉淀在移动的反应前沿处紧密耦合发生，而不是仅仅通过简单浸出作用。对于长期安全评估，这意味着在预测玻璃化废物在深部地下释放放射性核素的速率时，必须同时考虑辐射损伤和表面层随时间变化的结构。

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

关键词: 核废玻璃, 辐射损伤, 玻璃腐蚀, 表面蚀变层, 硼硅酸盐玻璃