Materialet som USA och andra länder planerar att använda för att lagra högaktivt kärnavfall kommer sannolikt att brytas ned snabbare än någon tidigare visste på grund av hur dessa material interagerar, visar ny forskning.

Resultaten, publiceras idag i tidskriften Naturmaterial , visa att korrosion av lagringsmaterial för kärnavfall accelererar på grund av förändringar i kärnavfallslösningens kemi, och på grund av hur materialen interagerar med varandra.

"Detta indikerar att de nuvarande modellerna kanske inte är tillräckliga för att hålla detta avfall säkert lagrat, sa Xiaolei Guo, huvudförfattare till studien och biträdande chef för Ohio State Center for Performance and Design of Nuclear Waste Forms and Containers, en del av universitetets ingenjörshögskola. "Och det visar att vi behöver utveckla en ny modell för att lagra kärnavfall."

Teamets forskning fokuserade på lagringsmaterial för högaktivt kärnavfall - främst försvarsavfall, arvet från tidigare kärnvapenproduktion. Avfallet är mycket radioaktivt. Medan vissa typer av avfall har en halveringstid på cirka 30 år, andra – till exempel plutonium – har en halveringstid som kan vara tiotusentals år. Halveringstiden för ett radioaktivt grundämne är den tid det tar för hälften av materialet att sönderfalla.

Förenta staterna har för närvarande ingen deponeringsplats för det avfallet; enligt U.S. General Accountability Office, det lagras vanligtvis nära växterna där det produceras. En permanent plats har föreslagits för Yucca Mountain i Nevada, även om planerna har stannat. Länder runt om i världen har diskuterat det bästa sättet att hantera kärnavfall; bara en, Finland, har påbörjat bygget av ett långtidsförvar för högaktivt kärnavfall.

Men den långsiktiga planen för försvarsavfallshantering och lagring på hög nivå runt om i världen är i stort sett densamma. Det handlar om att blanda kärnavfallet med andra material för att bilda glas eller keramik, och sedan omsluta dessa bitar av glas eller keramik – nu radioaktiva – inuti metallkapslar. Kapslarna skulle sedan begravas djupt under jorden i ett förvar för att isolera det.

I den här studien, forskarna fann att när de utsätts för en vattenhaltig miljö, glas och keramik samverkar med rostfritt stål för att påskynda korrosion, särskilt av glas och keramiska material som innehåller kärnavfall.

Studien mätte kvalitativt skillnaden mellan accelererad korrosion och naturlig korrosion av lagringsmaterialen. Guo kallade det "svårt".

"I det verkliga scenariot, avfallsformerna av glas eller keramik skulle vara i nära kontakt med kapslar av rostfritt stål. Under särskilda förhållanden, korrosionen av rostfritt stål kommer att bli galen, ", sade han. "Det skapar en super-aggressiv miljö som kan korrodera omgivande material."

För att analysera korrosion, forskargruppen pressade glas eller keramiska "avfallsformer" - de former som kärnavfallet är inkapslat i - mot rostfritt stål och sänkte dem i lösningar i upp till 30 dagar, under förhållanden som simulerar de under Yucca Mountain, det föreslagna kärnavfallsförvaret.

Dessa experiment visade att när glas och rostfritt stål pressades mot varandra, rostfritt stål korrosion var "allvarlig" och "lokaliserad, " enligt studien. Forskarna noterade också sprickor och förstärkt korrosion på de delar av glaset som hade varit i kontakt med rostfritt stål.

En del av problemet ligger i det periodiska systemet. Rostfritt stål är huvudsakligen tillverkat av järn blandat med andra element, inklusive nickel och krom. Järn har en kemisk affinitet för kisel, som är ett nyckelelement i glas.

Experimenten visade också att när keramik - en annan potentiell hållare för kärnavfall - pressades mot rostfritt stål under förhållanden som efterliknade dem under Yucca Mountain, både keramik och rostfritt stål korroderade på ett "svårt lokaliserat" sätt.