Molekulinio sieto technologija: ceolitas{0}}modifikuoti radionuklidų gaudyklės
Šio žvyro šerdies adsorbcijos geba atsiranda dėl tikslaus natūralaus ceolito modifikavimo. Techninės komandos pasirenka vulkaninesakmenukai(10–15 cm skersmens), kuriame gausu klinoptilolito, optimizuojant ceolito mikroporinę struktūrą (porų dydis 0,3–0,8 nm) į „tikslinės adsorbcijos“ kanalus per rūgšties aktyvavimą (apdorojimas 5% druskos rūgštimi) ir jonų mainus (panardinimas į amonio druskos tirpalą). Vidinis aliumosilikato karkasas turi neigiamus krūvius, leidžiančius stipriai užfiksuoti katijoninius radionuklidus, tokius kaip cezis (Cs⁺) ir stroncis (Sr²⁺), naudojant elektrostatinę trauką.
Bandymų duomenys rodo, kad modifikuotų akmenukų cezio adsorbcijos geba viršija 120 mg/g, o stroncio – daugiau kaip 90 mg/g-3 kartus daugiau nei nemodifikuoto ceolito ir gerokai pranoksta tradicinį cemento kietėjimą (ceziui tik 5 mg/g). Dar svarbiau, kad adsorbcijos stabilumas yra išskirtinis: pH 3-11 aplinkoje (imituojant požeminį vandenį įvairiomis geologinėmis sąlygomis), radionuklidų desorbcijos greitis yra ＜0,1 %; po apšvitinimo spinduliais (dozė iki 10⁶Gy, atitinkanti spinduliuotės intensyvumą aplink HLW), adsorbcijos pajėgumas sumažėja tik 2%, išvengiant radiacijos sukeltų struktūrinių pažeidimų.
Adsorbcijos mechanizmas pasiekia „dvigubą fiksavimą“: fiziškai ceolito mikroporos sukuria sterines kliūtis radionuklidams; chemiškai radionuklidai sudaro stabilius koordinacinius ryšius su ceolito karkasu, užkertant kelią pakartotiniam-išsiskyrimui net esant aukštai temperatūrai (150 laipsnių) arba slėgiui (10 MPa)-išsprendžiant tradicinių adsorbentų „lengvos desorbcijos“ trūkumą.
Saugos indikatoriai: beveik{0}}nulinis pralaidumo barjeras
Radionuklidų{0}}užrakinimo žvyras patikrintas pagal griežčiausius pasaulyje branduolinių atliekų šalinimo standartus. Suomijos Radiacinės ir branduolinės saugos tarnybos (STUK) atlikti bandymai rodo, kad bendras jo pralaidumas yra ＜10⁻⁹m/s-, o tai reiškia, kad per dieną viename kvadratiniame metre praeina ＜10⁻⁹ kubinių metrų vandens (atitinka vienai milijoninei lašo daliai), todėl radionuklidų pasišalinimas difuzijos būdu beveik neįmanomas.
Šis itin mažas pralaidumas atsiranda dėl „žvyro-bentonito“ sudėtinės struktūros: kiekvienas akmenukas yra padengtas 2 mm natrio bentonito sluoksniu (brinkimo talpa ＞30 ml/g), kuris, susilietus su gruntiniu vandeniu, greitai išsiplečia į tankų gelį, užpildydamas tarpus tarp akmenukų. Tuo tarpu natūraliai tanki akmenuko struktūra (poringumas ＜2%) dar labiau blokuoja prasiskverbimo kelius. Ilgalaikiai išplovimo bandymai (imituojant 1000 metų požeminio vandens eroziją) rodo, kad cezio išplovimo greitis yra ＜10⁻⁸g/(cm²·d), daug mažesnis už Tarptautinės atominės energijos agentūros (TATENA) saugos ribą (10⁻⁶g/(cm²·d)).
Be to, jo mechaninis stabilumas yra išskirtinis: 150 MPa gniuždymo stipris atlaiko perkrovos slėgį po žeme (paprastai ＜5 MPa); po 100 užšalimo -atšildymo ciklų (nuo -20 laipsnių iki 20 laipsnių) netrūksta, o tai užtikrina konstrukcijos vientisumą esant ekstremalioms klimato sąlygoms.
Šalinimo kaina: ekonominė revoliucija branduolinių atliekų sąvartynuose
Praktinis pritaikymas Olkiluoto atominėje elektrinėje (Suomija) patvirtina žvyro sąnaudų pranašumus. 2024 m. gamyklos HLW laidojimo projekte pakeitus tradicinį stiklo kietėjimą radionuklidų{2}}užrakinimo žvyru, buvo sutaupyta daug išlaidų:
50% mažesnės medžiagų sąnaudos: modifikuoto žvyro gamybos kaina ~80$/t, perpus mažesnė už stiklo kietėjimą (160$/t);
Pagerintas transportavimo ir sąvartyno efektyvumas: 1kg vienam akmenėliui leidžia mechanizuotai krauti, trigubai padidina transportavimo efektyvumą lyginant su stiklo kietėjimu (reikalingi specializuoti ekranuojantys konteineriai);
Panaikintos ilgalaikės{0}}priežiūros išlaidos: stabili adsorbcija ir itin-mažas pralaidumas pašalina papildomų stebėjimo šulinių ar remonto sluoksnių poreikį, 预计 60 % sumažinamos eksploatacinės priežiūros išlaidos per 100 metų.
Išsami apskaita rodo, kad vieneto požeminio šalinimo išlaidos sumažėjo nuo 2000 USD/m³ iki 1200 USD/m³-40 %. 1 GW atominė elektrinė, kuri kasmet pagamina 200 m³ HLW, sutaupo ~1,6 mln. USD per metus.
Dar daugiau, tai sutrumpina branduolinių atliekų šalinimo ciklą: tradiciniam stiklo kietėjimui reikia 6-12 mėnesių aušinimo ir kietėjimo, o modifikuotas žvyras gali būti naudojamas tiesiogiai po pirminio atliekų apdorojimo, suspaudžiant procesą nuo „metų“ iki „savaitės“ ir žymiai sumažinant laikiną saugojimo riziką. Kaip pažymima STUK vertinime: „Šis žvyras paverčia branduolines atliekas iš „sunkiai šalinamų“ į „kontroliuojamą šalinimą“ – tai yra esminis medžiagos proveržis darniai branduolinės pramonės plėtrai“.