Микробы, предпочитающие щелочную среду, предлагают новый способ защиты ядерных отходов, захороненных глубоко под землёй. Этот подход преодолевает ограничения существующих цементных барьеров, которые со временем могут трескаться или разрушаться.
Один из лучших способов обезопасить ядерные отходы — это захоронить их в геологических хранилищах.
Это специально построенные контейнеры в туннелях и хранилищах, расположенных на сотни метров под землёй. Цемент используется для обеспечения структурной поддержки, герметизации зазоров и инкапсуляции контейнеров с отходами. Хотя цемент — это прочный материал, со временем грунтовые воды вступают с ним в реакцию, образуя микроскопические трещины и поры, через которые может выходить радиация.
Проблема усугубляется тем, что традиционный цемент имеет чрезвычайно щелочную реакцию (pH более 12) и является коррозионно-активным, что может ослабить близлежащие защитные слои, такие как глиняные барьеры, потенциально нарушая работу объекта.
Команда учёных из Великобритании разработала новое решение под названием карбонатное осаждение, индуцированное микробами (MICP) — механизм самовосстановления в цементе с низким pH. Этот механизм работает, когда микробы потребляют органические материалы и производят углекислый газ, который затем вступает в реакцию с кальцием и магнием, вымываемыми из цемента, образуя кальцит и другие карбонатные минералы. Эти минералы затем запечатывают трещины, создавая самовосстанавливающийся барьер.
«Метаболизм микробов в этих условиях приводит к карбонатному осаждению, индуцированному микробами (MICP), что может быть выгодно для стабильности хранилища», — написали учёные в статье, опубликованной в журнале ACS Omega.
Чтобы проверить это, команда провела шестимесячный эксперимент.
Они использовали плиты цемента с низким pH (pH 10–11), который менее агрессивен, чем традиционный цемент, и достаточно прочен, чтобы прослужить тысячелетия. Учёные также собрали щелочелюбивые бактерии из места с естественным высоким pH и поместили их в синтетическую грунтовую воду, окружающую цемент. Чтобы имитировать различные уровни разлагающихся отходов, обнаруженных глубоко под землёй, они варьировали количество органического материала (например, лактата), доступного для бактерий. Затем они ждали, чтобы увидеть, что произойдёт.
Через шесть месяцев учёные обнаружили, что эффективность процесса самовосстановления полностью зависела от количества органического материала, доступного для бактерий. Когда пищи было много (системы с высоким содержанием углерода), микробы были очень активны, производя большое количество углекислого газа, который понижал pH окружающей воды и образовывал много кальцита. Это запечатывало трещины и снижало пористость цемента.
Однако, когда пищи было мало (в системах с низким содержанием углерода), кальцита образовалось очень мало, потому что бактерии не могли производить достаточно углекислого газа.
Хотя эксперимент был успешным, необходимы дальнейшие исследования, чтобы проверить потенциал MICP в более длительных временных масштабах и в более сложных условиях.
© 2025 Science X Network
More from Earth Sciences