Одной из ключевых задач современной атомной энергетики является безопасное обращение с отработавшим ядерным топливом. После переработки этого топлива образуются высокоактивные отходы, которые для надежной и долгосрочной изоляции от биосферы переводят в стабильную стекловидную форму – остекловывают. Эти контейнеры с остеклованными отходами предназначены для окончательного захоронения в глубоких геологических формациях, в так называемых пунктах глубинного захоронения радиоактивных отходов (ПГЗРО). На протяжении тысячелетий единственным фактором, способным повлиять на это стекло, будет вода, которая может вызвать его постепенное изменение и потенциальную миграцию радиоактивных элементов.
Когда вода вступает в контакт с поверхностью остеклованных отходов, на ней начинает формироваться аморфный гелевый слой. Этот слой действует как защитный барьер, значительно замедляя дальнейшее взаимодействие стекла с водой. Данный процесс, известный как пассивация, описывается моделью GRAAL. Скорость коррозии в этом случае определяется тем, насколько быстро химические элементы могут перемещаться через этот защитный гель. Со временем, по мере утолщения геля, скорость разрушения стекла снижается.
Однако существует и второй, конкурирующий процесс, который связан с окружающей геологической средой. Защитный гелевый слой может сам медленно растворяться, если окружающие его пористые породы и материалы могильника активно поглощают его ключевой компонент – кремний. Этот механизм описывается моделью MOS, которая оценивает, как быстро среда «забирает» кремний от контейнера, тем самым стимулируя дальнейшее разрушение стекла для восполнения потерь. В этом сценарии скорость коррозии контролируется уже не внутренними свойствами геля, а характеристиками внешней среды.
Таким образом, долговечность остеклованных отходов зависит от баланса двух параллельных процессов: внутреннего, связанного с формированием защитного геля, и внешнего, обусловленного его растворением в окружающей среде. В недавнем исследовании был предложен математический аппарат для формального сравнения этих двух механизмов. Он позволяет определить, какой из них будет доминировать в конкретных условиях захоронения, сравнивая два ключевых параметра – коэффициент диффузии в геле и коэффициент диффузии в породах могильника.
Практические выводы этого сравнения имеют огромное значение для оценки безопасности ПГЗРО. Если преобладает первый механизм – пассивация за счет геля, – то коррозия идет «изнутри», и ключевую роль играют свойства самого стекла и целостность его поверхности. В этом случае большое значение имеет начальное растрескивание стеклянного блока, так как оно увеличивает площадь контакта с водой. Если же доминирующим оказывается второй процесс – растворение геля средой, – то разрушение идет «снаружи», и определяющими становятся свойства окружающих пород и инженерных барьеров. При таком сценарии изначальное растрескивание стекла практически не влияет на общую скорость его деградации.
В недавнем исследовании французского ученого Пьера Фружье (представляющего Комиссариат по атомной энергии и альтернативным источникам энергии Франции (CEA) и Университет Монпелье в Маркуле), опубликованном в журнале npj Materials Degradation, предложен формализованный подход для сравнения этих двух моделей. Предложенный подход является упрощенным, но мощным инструментом, который позволяет ученым и инженерам заранее прогнозировать, какой из сценариев будет определять судьбу остеклованных отходов в долгосрочной перспективе. Это дает возможность более точно оценивать барьерные функции как самого стекла, так и всей системы захоронения в целом, и разрабатывать такие решения, при которых свойства контейнера и геологической среды будут эффективно дополнять друг друга, обеспечивая максимальный уровень безопасности на тысячи лет вперед.