Безопасное хранение радиоактивных отходов — задача, требующая инновационных инженерных решений. Одним из наиболее эффективных методов защиты считается захоронение отходов глубоко под землей с использованием многослойных барьеров. Главную роль в надежности таких хранилищ играет цемент, применяемый для создания несущих конструкций, герметизации и заливки швов между отсеками и контейнерами.
Проблемы долговечности цемента и вызовы для безопасности
Несмотря на известную прочность и устойчивость цемента, с годами конструкции подвергаются влиянию воды и иных внешних факторов. Подобное воздействие провоцирует образование микротрещин и пор в бетоне. Даже мельчайшие из них могут негативно сказаться на надежности, нарушая герметичность и увеличивая риск выхода радиоактивных веществ за пределы хранилища.
Ограничением в применении цемента остаётся и его высокая щелочность — показатель pH зачастую достигает значения 10–12. Такой уровень щелочи обеспечивает материалу долговечность и сопротивляемость коррозии. Однако это же свойство может способствовать постепенному разрушению соседних материалов или ослаблению слоев защиты, снижая общую надёжность захоронения. Для повышения безопасности требуются дополнительные меры по укреплению цементных конструкций и предотвращению появления трещин.
Уникальное биоинженерное решение от учёных Великобритании
В поиске оптимального решения группа британских учёных предложила инновационный подход, базирующийся на естественных процессах. Исследователи сфокусировались на особых бактериях, предпочитающих жить в щелочной среде, аналогичной условиям внутри цемента. Оказалось, что эти микроорганизмы способны выделять вещества, укрепляющие цементную структуру.
Ученые разработали метод, получивший название микробно-индуцированное осаждение карбонатов (MICP, microbially induced carbonate precipitation). Суть технологии заключается в том, что жизнедеятельность бактерий инициирует образование на поверхности и в порах цемента карбонатов кальция и магния — минералов, выступающих природными «пломбами» для трещин и пустот.
Эксперимент и удивительные результаты
В ходе полугодового эксперимента исследовательская группа использовала специальные плиты из низкощелочного цемента, устойчивого к коррозии. В лабораторных условиях их погружали в водные растворы с различным уровнем органических соединений и заселяли бактериями, способными жить при высоких значениях pH. Эти микроорганизмы были собраны с природных территорий, где почва характеризуется повышенной щелочностью.
Бактерии перерабатывали доступную им органику, при этом побочным продуктом становился диоксид углерода. В реагируя с ионами кальция и магния, которые вымывались из цемента, он приводил к образованию минералов — кристаллов кальцита и прочих карбонатов, буквально заполнявших трещины изнутри.
В экспериментальных сериях, где органики в растворе было много, бактерии вели себя особенно активно. Это способствовало более быстрому и эффективному самозалечиванию, трещины затягивались, а цемент становился прочней. С другой стороны, при низком содержании органики процесс самозалечивания существенно замедлялся.
Потенциал и будущее технологии
Успех проведённых исследований вдохновил учёных на дальнейшую работу в этом направлении. Уже сейчас ясно, что биоинженерные методы могут значительно повысить долговечность и надежность бетонных конструкций, применяемых для изоляции радиоактивных отходов, гидротехнических и других крупных объектов.
Эксперты убеждены: правильный подбор состава растворов и контроль концентрации органики даст возможность запускать процессы естественного восстановления в цементе даже спустя десятилетия после строительства. Подобная технология перспективна для создания новых материалов с функцией самозалечивания, обеспечивая безопасность сооружений в течение столетий и даже тысячелетий.
Шаг в надежное будущее с помощью природы и науки
Разработка британских учёных объединяет принципы экологии и инженерного мастерства. Использование бактерий для автоматического устранения трещин карбонатами — пример инновационного решения, способного многократно увеличить срок службы бетона и повысить уровень безопасности важных инфраструктурных объектов. Новаторский подход гармонично сочетает достижения современной науки и возможности природы, открывая перед строительной отраслью и экологией по-настоящему светлые перспективы.
Источник: naked-science.ru
