Quando i composti nel combustibile nucleare esaurito si degradano, possono rilasciare elementi radioattivi e contaminare il suolo e l'acqua. Gli scienziati sanno che un composto di combustibile esaurito, diossido di nettunio, reagisce con l'acqua, ma non comprendono appieno il processo. Uno studio ha utilizzato tecniche avanzate di microscopia elettronica per studiare come la struttura microscopica del diossido di nettunio guida le reazioni chimiche che lo portano a dissolversi nell'ambiente. I risultati hanno rivelato che il nettunio tende a dissolversi dove i grani del materiale si uniscono, noti come bordi di grano. Il nettunio è meno incline a dissolversi ai bordi dei grani di grani di materiale più grandi rispetto ai grani di materiali più piccoli.

Impatto

Le centrali nucleari producono scorie altamente radioattive sotto forma di combustibile nucleare esaurito. Per evitare che le radiazioni fuoriescano, gli operatori degli impianti immagazzinano il combustibile esaurito in piscine e botti a secco nei siti dei reattori nucleari. Però, questa non è una soluzione permanente. Per conservare in sicurezza i materiali radioattivi per centinaia di migliaia di anni è necessario lo smaltimento sotterraneo in siti geologicamente stabili. La pianificazione di questo stoccaggio richiede previsioni approfondite di come i rifiuti possono trasformarsi chimicamente per garantire che siano sicuri per l'ambiente. Questo studio rivela che la lavorazione del biossido di nettunio in modi che producono grani più grandi e meno difetti riduce drasticamente la solubilità del nettunio, la sua capacità di dissolversi. Ciò riduce l'impatto ambientale delle scorie nucleari. Queste intuizioni aiuteranno a informare le decisioni politiche sullo smaltimento dei rifiuti nucleari legacy.

Riepilogo

Il diossido di nettunio si trova nelle scorie nucleari legacy che mostrano una struttura complessa con grani su scala nanometrica e bordi dei grani prominenti. I bordi dei grani sono siti in cui l'ordine cristallino del solido è perturbato e spesso porta ad un aumento della diffusione e della reattività chimica. I bordi dei grani nel diossido di nettunio contengono una fase di idrossido solubile, che si ossida facilmente e si dissolve facilmente a contatto con l'acqua e può provocare un aumento delle concentrazioni di nettunio nelle acque naturali. L'erosione dei bordi dei grani provoca la rottura di interi grani dalla matrice e alla fine si traduce in nettunio in soluzione sia acquosa che colloidale, che possono influenzare il destino ambientale e la valutazione dei trasporti.

Questo studio approfondito della microstruttura del biossido di nettunio ha rivelato che la dimensione del grano può essere aumentata di un ordine di grandezza elaborando il materiale ad alta temperatura. La ricristallizzazione ad alta temperatura induce la crescita del grano, che riduce i difetti superficiali e l'area superficiale, abbassando l'energia libera del materiale. Granuli di biossido di nettunio più grandi determinano una maggiore stabilità e riducono la solubilità di due ordini di grandezza. Esaminando i meccanismi di dissoluzione all'interfaccia solido-acqua, questo studio colma una lacuna chiave per comprendere il rilascio ambientale di elementi radioattivi. Si prevede che i risultati avranno implicazioni ambientali di vasta portata per la valutazione delle prestazioni.