Een team van onderzoekers van de Universiteit van South Carolina gebruikt neutronen om duurzamere en efficiëntere materialen te ontwikkelen, afvalvormen genaamd, voor het veilig opslaan van gevaarlijke stoffen.

Het USC-team heeft onlangs een bezoek gebracht aan het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy om zoutinsluitingsmaterialen (SIM's) te bestuderen die interne silicaatkanalen bevatten met het vermogen om kernafval veilig te immobiliseren. De onderzoekers hopen waardevolle inzichten te verkrijgen in de eigenschappen van de materialen met behulp van bronnen bij ORNL's Spallation Neutron Source, zoals het POWGEN-instrument, SNS-bundellijn 11A.

"We bestuderen SIM's met de bedoeling om nieuwe materialen te maken die op een efficiëntere en veiligere manier kernafvalelementen zoals technetium, " zei hoofdonderzoeker Hans-Conrad zur Loye. "Dit is een proces van lange adem, en we hopen de komende jaren de fundamentele chemie te ontwikkelen die nodig is om deze afvalvormen te ontwerpen."

Afvalmaterialen werken als een soort kristallijne "zak" om radioactieve elementen te bevatten terwijl ze in de loop van de tijd vervallen. De onderzoekers willen een op maat gemaakte afvalvorm ontwerpen om radioactieve isotopen in te kapselen en extra waarborgen te bieden. Bijvoorbeeld, als er water in de containers lekt, de nieuwe afvalvorm zou niet oplossen.

De onderzoekers bestuderen ionenuitwisselingsreacties, het proces waarbij niet-radioactieve zouten worden vervangen door radionucliden voor langdurige opslag in SIM's. Het team had eerder röntgenstralen gebruikt om de nawerkingen van de reacties te analyseren en is nu van plan om te profiteren van de penetrerende en niet-destructieve aard van neutronen om structurele veranderingen in realtime te onthullen. Deze kennis zal helpen identificeren welke eigenschappen nodig zijn voor een materiaal om kernafval effectief te immobiliseren.

"We weten waar we mee beginnen en waar we mee eindigen, maar we weten nog niet wat er in het midden gebeurt, " zei zur Loye. "Het vermogen om te zien wat er tijdens het proces gebeurt, is uniek voor neutronen."

Dit onderzoek wordt uitgevoerd in het kader van het Centre for Hiërarchical Waste Form Materials (CHWM), een DOE Energy Frontier Research Center. Het doel van CHWM is om nieuwe materialen te ontwikkelen die een hogere concentratie nucleair afval kunnen opslaan zonder dat radioactieve inhoud in de omgeving kan sijpelen. Een manier om dit evenwicht te bereiken is door middel van hiërarchische materialen zoals simkaarten, die bestaan ​​uit kleinere structuren die zich in grotere bevinden. Onderzoekers van het centrum bestuderen verschillende varianten van deze stoffen en modelleren nieuwe media voor de opslag van nucleair afval.

"Ons doel is om nieuwe opslagmaterialen voor nucleair afval te maken om radionucliden veilig af te sluiten, zodat ze niet in de watervoorziening of de atmosfeer terechtkomen. " zei zur Loye. "Als we een materiaal kunnen ontwerpen dat een extra veiligheidsmarge biedt, misschien kunnen we de komende duizenden jaren een veilige oplossing bieden."