Дослідження, опубліковане в журналі ACS ES&T Water і проведене вченими з Манчестерського університету, Національної ядерної лабораторії Великобританії та Університету Клемсона за фінансової підтримки Управління з виведення з експлуатації ядерних об'єктів, вивчало взаємодію подрібненого бетону зі стронцієм-90, мобільним радіоактивним забруднювачем, знайденим на ядерних об’єктах, таких як Селлафілд і Хенфорд.
Команда виявила, що в умовах, аналогічних тим, які очікуються у неглибоких похованнях на території об'єктів, бетон може вступати в реакцію і ставати довготривалим поглиначем стронцію-90, особливо при впливі повітря або обробці фосфатами.
"Наша робота показує, що подрібнений бетон не просто діє як інертний відхід – він може активно видаляти стронцій із розчину та утримувати його у формах, стабільних протягом тривалого часу. Це важливо для розуміння того, як можна використовувати слабо забруднений бетон на об'єкті для мінімізації перенесення радіонуклідів", – сказала професор Кетрін Морріс, завідувач кафедри досліджень BNFL у Манчестерському університеті та старший автор дослідження.
Дослідницька група використовувала бетон, наданий Управлінням з виведення з експлуатації ядерних об'єктів Великобританії, і перевірила його поведінку при змішуванні із синтетичною ґрунтовою водою, що містить або стабільний стронцій, або слідові кількості радіоактивного стронцію-90. Експерименти проводилися протягом трьох місяців у двох контрастних умовах: з обмеженим доступом повітря, що імітує герметичні або низькокисневі (підземні) середовища, та з рівноважним доступом повітря (впливом повітря), що імітує сценарії поховання відходів, де є повітря.
У системах з рівноважним доступом повітря подрібнений бетон видалив близько 82% стронцію з розчину за три місяці, порівняно з 14% в умовах обмеженого доступу повітря. Ця різниця була пов'язана з утворенням кальциту, мінералу карбонату кальцію, який утворюється під час реакції бетону з вуглекислим газом у повітрі. Стронцій може замінювати кальцій у кальциті, фіксуючи його у структурі мінералу.
Рентгенівська абсорбційна спектроскопія підтвердила, що стронцій частково включався в новостворений кальцит у цих системах, схильних до впливу повітря, забезпечуючи механізм довготривалого видалення стронцію-90 з ґрунтових вод.
Група також протестувала два варіанти обробки фосфатами – один, при якому фосфат додавався під час експерименту, та інший, за якого бетон попередньо оброблявся фосфатом. Обидва підходи збільшили поглинання стронцію навіть за обмеженого доступу повітря.
У системах з фосфатами, насичених повітрям, до 98% стронцію було видалено з розчину протягом 48 годин. Мікроскопія показала, що на поверхні бетону утворилися слабокристалічні покриття з фосфату кальцію, що забезпечують додаткові ділянки для сорбції або включення стронцію протягом тривалих проміжків часу, що забезпечує радіоактивний розпад до стабільного цирконію.
Стронцій-90 є ключовим забруднювачем на багатьох історичних ядерних об'єктах, оскільки він відносно рухливий у ґрунтових водах. У процесі виведення з експлуатації утворюються значні обсяги бетону, що слабко забруднений, і все частіше розглядається можливість його поховання на місці для розв'язання проблеми утилізації цього матеріалу.
Результати досліджень показують, що при подрібненні бетону та його контакті з повітрям, як це відбувається при переробленні або неглибокому похованні, природні процеси карбонізації можуть значно підвищити здатність бетону утримувати стронцій. Обробка фосфатами може поліпшити ці показники, особливо в районах з обмеженим доступом до повітря.
Професор Морріс додала: "Ці результати дають нам чіткіше уявлення про те, що відбувається, коли бетонні відходи взаємодіють із ґрунтовими водами з часом. Розуміючи механізми, які вловлюють стронцій, ми можемо краще обґрунтовувати безпечні, засновані на фактичних даних рішення про поховання на місці та довгострокове управління радіоактивно забрудненими землями".
