近日，薩凡納河國家實(shí)驗(yàn)室(SRNL)的研究人員正致力于利用尖端科學(xué)，以創(chuàng)新方式有效固定核廢料。作為分級廢物成型材料中心(HWM Center)的一部分，該實(shí)驗(yàn)室正在探索放射性廢物管理領(lǐng)域的新方向。
SRNL 高級科學(xué)家 Travis Deason 向?qū)嶒?yàn)室研究員 David Diprete 演示了如何使用位于放射性遏制單元內(nèi)的顯微鏡尋找合適的新型錒系元素材料晶體。(照片：SRNS/Lj Gay)
大約十年前，美國能源部科學(xué)辦公室啟動(dòng)了“能源前沿研究中心”(EFRC)項(xiàng)目，旨在解決環(huán)境管理的基本研究需求。這些EFRC旨在實(shí)現(xiàn)各中心機(jī)構(gòu)之間的協(xié)同作用，共同攻克無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的研究目標(biāo)。
“多機(jī)構(gòu)分級廢物成型材料中心成立于大約八年前，當(dāng)時(shí)作為一家EFRC，致力于開發(fā)分級廢物成型的基礎(chǔ)科學(xué)，從而開發(fā)廢物成型解決方案和材料，”SRNL玻璃、水泥和陶瓷科學(xué)組首席研究員Jake Amoroso表示。“我們并不直接生產(chǎn)或設(shè)計(jì)最終的廢物成型體，而是進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)研究，以幫助理解如何創(chuàng)造和設(shè)計(jì)新型廢物成型材料，使其以可預(yù)測的方式發(fā)揮作用。在此過程中，我們會發(fā)現(xiàn)、制造和測試新材料。”
該中心由南卡羅來納大學(xué)牽頭，并與SRNL、太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室、克萊姆森大學(xué)、密歇根大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)和法國原子能和替代能源委員會(CEA)等機(jī)構(gòu)合作，深入探究已在美國能源部和工業(yè)界應(yīng)用的放射性元素的基本行為。
“在過去的四五十年里，人們對玻璃化(玻璃狀廢物形式)進(jìn)行了大量研究，這是全球公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，”阿莫羅索說。“但玻璃并非萬能，在某些應(yīng)用中，它可能不是最佳選擇。目前存在知識差距，我們對替代廢物成型材料的潛力理解不足。”填補(bǔ)這一知識差距是分級廢物成型材料中心的目標(biāo)。阿莫羅索補(bǔ)充道：“過去三四十年的相關(guān)研究相對較少。”
作為該中心的成員之一，SRNL正在開發(fā)包含镅、镎和钚的新型超鈾材料，包括最近開發(fā)的钚(V)硼酸鹽結(jié)構(gòu)。SRNL環(huán)境和遺產(chǎn)管理局實(shí)驗(yàn)室研究員David Diprete表示：“該結(jié)構(gòu)是我們大約一年前開發(fā)的新結(jié)構(gòu)之一。”“中心已經(jīng)制造了獨(dú)特的材料，如镅硼酸鹽、钚硼酸鹽、钚硅酸鹽、镎氟化物和钚氟化物。”
“我們正在進(jìn)一步表征這些材料，”阿莫羅索說。“我們已經(jīng)發(fā)表了一些成果，每天都在撰寫更多論文。我們關(guān)注的元素包括钚、鈾、銫、镅、镎和鋦。我們對超鈾元素特別感興趣，因?yàn)樗鼈兙哂杏腥さ奶匦?，而目前對它們的研究并不多，SRNL是少數(shù)幾個(gè)可以安全處理它們的地方之一。此外，SRNL正在通過分級廢物成型材料中心的合作研究，幫助培養(yǎng)一支能力強(qiáng)、技術(shù)熟練的勞動(dòng)力隊(duì)伍。”
據(jù)阿莫羅索介紹，廢物形態(tài)的關(guān)鍵在于它們對放射性元素的保留程度。通過制造硼酸镅等化合物，該中心的目標(biāo)是制造穩(wěn)定的晶體材料，以便在化學(xué)環(huán)境中進(jìn)行測量，例如浸出研究，以測量放射性元素從廢物形態(tài)中釋放出來的程度。這有助于中心了解哪些材料適合作為廢物形態(tài)。
迪普雷特表示，該中心是一個(gè)大型合作項(xiàng)目，各大學(xué)主導(dǎo)材料的理論建模和模擬開發(fā)，而借助SRNL的能力，實(shí)驗(yàn)室可以研究放射性元素并制造和測試這些材料。
“我們正在進(jìn)一步了解這些材料的化學(xué)性質(zhì)，”迪普雷特說。“以前沒有人制造過這些材料，所以我們不僅在保存元素，還在研究它們可以制成什么材料。我們正在獲得大量基礎(chǔ)科學(xué)知識。”
盡管SRNL以其在應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域的卓越表現(xiàn)而聞名，但其在中心的作用更多地與基礎(chǔ)科學(xué)有關(guān)。阿莫羅索表示，該中心的目標(biāo)不是制造最新的廢物形式，而是縮小知識差距，更好地了解制造替代廢物形式背后的科學(xué)。
分級廢物形式材料中心和SRNL的工作不斷拓展我們對分級廢物形式的理解，并推動(dòng)創(chuàng)新，確保核廢料的持續(xù)安全處置。
