Τα τελευταία χρόνια, η πυρηνική ενέργεια έχει προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον, καθώς διάφορες χώρες σε όλο τον κόσμο αναζητούν καθαρότερες πηγές ενέργειας για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Ωστόσο, η πυρηνική ενέργεια δημιουργεί μια άλλη, πολύ σοβαρή, πρόκληση: την αντιμετώπιση των ραδιενεργών αποβλήτων. Στο πλαίσιο αυτό, οι χώρες διερευνούν λύσεις για την υπεύθυνη αποθήκευση και διαχείριση αυτών των αποβλήτων.
Στην Ινδία, όπου υπάρχει αυξανόμενη ζήτηση τόσο για ενέργεια όσο και για δομικά υλικά, ερευνητές από το Bhabha Atomic Research Center (BARC) διεξάγουν έρευνα γύρω από μια ασυνήθιστη ιδέα: τη χρήση τελμάτων επεξεργασίας ουρανίου (Uranium Mill Tailings, UMT) ως συστατικό για την κατασκευή δομικών στοιχείων, όπως τα γνωστά σε όλους γεωπολυμερή.
Ο κύριος στόχος των ερευνητών ήταν να εξετάσουν εάν ήταν δυνατό να μετατραπούν τα απόβλητα επεξεργασίας του ουρανίου σε ισχυρά και ασφαλή μπλοκ γεωπολυμερών που θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν στον τομέα των κατασκευών.
Τα τέλματα επεξεργασίας ουρανίου είναι τα λασπώδη υπολείμματα που προκύπτουν μετά την εξαγωγή του ουρανίου από το φέρον μετάλλευμα. Σε παγκόσμιο επίπεδο, υπάρχουν τεράστιες ποσότητες αυτών των τελμάτων, τα οποία αποτελούν μακροπρόθεσμη πρόκληση όσον αφορά στην ασφαλή αποθήκευση τους και στην πρόληψη της μόλυνσης του περιβάλλοντος. Οι επιστήμονες συνέλεξαν δείγματα αυτών των τελμάτων από μια εγκατάσταση επεξεργασίας ουρανίου στην Ινδία.
Ο γεωπολυμερισμός είναι μια χημική διαδικασία όπου υλικά πλούσια σε πυρίτιο (SiO2) και αλουμίνα (Al2O3), όπως τα τέλματα επεξεργασίας ουρανίου και η ιπτάμενη τέφρα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη, αντιδρούν με ένα ισχυρό αλκαλικό διάλυμα. Αυτή η αντίδραση προκαλεί τη διάλυση αυτών των στοιχείων και στη συνέχεια τη μετατροπή τους σε ένα νέο, ισχυρό, τρισδιάστατο δίκτυο αργιλοπυριτικών πολυμερών που ονομάζεται γεωπολυμερές.
Στη μελέτη τους οι ερευνητές ανέμειξαν τα τέλματα με ιπτάμενη τέφρα, ένα υποπροϊόν από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής από καύση άνθρακα, και αδρανή υλικά (bed material), τα οποία προκύπτουν ως βιομηχανικά απόβλητα από την επεξεργασία σιδηρομεταλλεύματος, για να σχηματίσουν το γεωπολυμερές.
Οι ερευνητές δοκίμασαν τρεις διαφορετικές συνταγές/συνθέσεις για τα μπλοκ των γεωπολυμερών. Κάθε συνταγή συνδύαζε τέλματα, ιπτάμενη τέφρα και αδρανή σε διάφορες αναλογίες. Χρησιμοποίησαν επίσης διαλύματα υδροξειδίου του νατρίου (NaOH) και πυριτικού νατρίου (Na2SiO3) για να μετατρέψουν αυτές τις σκόνες σε στερεά μπλοκ. Πριν από την ανάμειξη, οι επιστήμονες διάφορες παραμέτρους των πρώτων υλών για να διασφαλίσουν ότι ήταν επαρκείς για τη δημιουργία ισχυρών δεσμών.
Αφού τα υλικά αναμείχθηκαν σε μια παχύρρευστη πάστα, τοποθετήθηκαν σε καλούπια για να παραχθούν τούβλα. Τα καλούπια παρέμειναν σε θερμοκρασία δωματίου για μια νύχτα και στη συνέχεια τοποθετήθηκαν σε φούρνο στους 60°C για άλλη μια νύχτα, ώστε να προωθηθεί η αντίδραση του γεωπολυμερισμού. Μόλις σχηματίστηκαν τα μπλοκ γεωπολυμερούς, αφέθηκαν να σκληρύνουν για περίπου τέσσερις εβδομάδες. Στη συνέχεια, δοκιμάστηκαν χρησιμοποιώντας τυποποιημένες μεθόδους από το Bureau of Indian Standards.
Και τα τρία μείγματα γεωπολυμερών ξεπέρασαν την ελάχιστη απαιτούμενη αντοχή των 3,5 MPa. Τα αποτελέσματα της αντοχής σε θλίψη ήταν περίπου 10,7MPa για ένα από τα μίγματα, 12,0 MPa για ένα άλλο και 15,6 MPa για το τρίτο, καθιστώντας τα αρκετά ισχυρά για εφαρμογή σε πραγματικές συνθήκες. Η προσθήκη περισσότερης ιπτάμενης τέφρας έτεινε να παράγει μπλοκ υψηλότερης αντοχής όπως επίσης και η προσθήκη αλουμίνας (Al2O3).
Επειδή τα τέλματα επεξεργασίας ουρανίου μπορεί να περιέχουν ραδιενεργά στοιχεία, οι επιστήμονες έδωσαν ιδιαίτερη προσοχή στο αέριο ραδόνιο και στα ραδιενεργά ισότοπα. Μέτρησαν πόσο αέριο ραδονίου απελευθερώθηκε με την πάροδο του χρόνου (ρυθμοί εκπνοής ραδονίου) και τα επίπεδα κρίσιμων ραδιενεργών στοιχείων, όπως το ουράνιο (238U) και το ράδιο (226Ra). Χρησιμοποιώντας ένα ειδικό φασματόμετρο ακτίνων γάμμα, μπόρεσαν να εξετάσουν εάν αυτά τα μπλοκ γεωπολυμερών είχαν υψηλότερα από τα αποδεκτά επίπεδα ακτινοβολίας.
Η απελευθέρωση αερίου ραδονίου από τα μπλοκ γεωπολυμερούς ήταν σχετικά χαμηλή, σε ορισμένες περιπτώσεις παρόμοια ή ακόμη και χαμηλότερη από τα ποσοστά που αναφέρθηκαν για κοινά δομικά υλικά όπως το σκυρόδεμα και τα τούβλα. Τα επίπεδα διαφορετικών ραδιενεργών στοιχείων στα μπλοκ πληρούσαν τα παγκοσμίως καθορισμένα από τον Διεθνή Οργανισμό Ατομικής Ενέργειας (International Atomic Energy Agency) όρια ασφαλείας.
Οι επιστήμονες υπολόγισαν επίσης τη δραστηριότητα ισοδύναμου ραδίου (Raeq), η οποία βοηθά στον καθορισμό εάν το υλικό είναι ασφαλές για συγκεκριμένα είδη κατασκευαστικών έργων. Από αυτόν τον υπολογισμό, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα μπλοκ είναι κατάλληλα για μη οικιστικά δομικά στοιχεία, όπως οι δρόμοι και τα θεμέλια, ανάλογα με την τιμή του δείκτη Raeq.
Χρησιμοποιώντας υπολογιστικά μοντέλα, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα τυπικό δωμάτιο με τοίχους κατασκευασμένους από αυτά τα μπλοκ όπου τα επίπεδα ραδονίου προέκυψε ότι παραμείνουν εντός των εθνικών και διεθνών ορίων.
Τα τέλματα επεξεργασίας ουρανίου περιέχουν φυσικά ραδιενεργά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένου του ραδίου (226Ra). Το ράδιο μπορεί να διασπαστεί και να σχηματίσει αέριο ραδόνιο (222Rn), το οποίο μπορεί στη συνέχεια να διαφύγει από το υλικό. Ωστόσο, σε αυτά τα μπλοκ γεωπολυμερών, οι ερευνητές πιστεύουν ότι το εσωτερικό δίκτυο που σχηματίζεται μέσω του γεωπολυμερισμού μπορεί να βοηθήσει στην παγίδευση και συγκράτηση ορισμένων από αυτά τα ραδιενεργά στοιχεία. Όταν οι επιστήμονες μέτρησαν την απελευθέρωση ραδονίου, ανακάλυψαν ότι κατάλληλες συνθήκες ανάμιξης και σκλήρυνσης μπορούν να διατηρήσουν τα ποσοστά εκπομπής χαμηλά.
Ενώ η τεχνολογία γεωπολυμερών από τέλματα επεξεργασίας ουρανίου είναι πολλά υποσχόμενη, οι μακροπρόθεσμες περιβαλλοντικές επιπτώσεις της χρειάζονται περαιτέρω διερεύνηση προκειμένου τα μπλοκ να μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις κατασκευές. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η πιο σημαντική πρόκληση είναι η έλλειψη ειδικών κανονισμών ή προτύπων για τα επίπεδα ραδιενέργειας στα γενικά δομικά υλικά. Αυτό καθιστά δύσκολη την χορήγηση έγκρισης για ευρεία χρήση των μπλοκ γεωπολυμερών και η ανάπτυξη τέτοιων προτύπων είναι ζωτικής σημασίας.
Σε όλο τον κόσμο, εκατομμύρια τόνοι τελμάτων επεξεργασίας ουρανίου συσσωρεύονται κάθε χρόνο. Η μετατροπή τους σε γεωπολυμερή και άλλα δομικά υλικά που μπορούν να εμποδίσουν την επιβλαβή ακτινοβολία, θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποφυγή μακροπρόθεσμων περιβαλλοντικών και υγειονομικών προβλημάτων. Ωστόσο, οι μελλοντικές προσπάθειες πρέπει να αφορούν την τυποποίηση, την ανάπτυξη της εμπιστοσύνης του κοινού και τη μακροπρόθεσμη ανθεκτικότητα, ώστε να διασφαλιστεί η ευρεία αποδοχή τέτοιων τεχνολογιών.
Με πληροφορίες από researchmatters.in
