تمیز کردن چهره زمین از مواد رادیواکتیو

به همین دلیل نیاز به سوختی هسته‌ای که در ضمن تامین نیازهای آینده نیروگاه‌های اتمی و رهایی از معضل سوخت‌های فسیلی، بتواند روندهای زیست بومی و سازگاری با محیط‌زیست را رعایت کند به نوبه خود تلاشی فناورانه و ارزنده به حساب می‌آید. از این‌رو، یک نوع سوخت هسته‌ای به اصطلاح سبزتر و پاک که از سوی دانشمندان برای نیروگاه‌های اتمی فردا پیشنهاد شده است، می‌تواند مواد رادیواکتیو و پرتوزای مخاطره‌آمیز و آلاینده‌ای همچون عنصر فلزی تکنتیوم تولید شده در خلال بازفرآیندسازی سوخت هسته‌ای کم‌توان شده و به مصرف رسیده را تا حد زیادی جذب و پاکسازی نماید. در این میان عناصری از جمله توریوم می‌تواند در فرآیند پاکسازی و تمیز کردن مواد رادیواکتیو ضایعاتی نقش مهمی ایفا کند. دانشمندان با استفاده از این عنصر شیمیایی می‌توانند ضمن صرفه‌جویی در هزینه‌ها، به شکل ایمن‌تر و صد البته قابل اطمینان‌تر کار ذخیره‌سازی و انباشت ضایعات و زباله‌های هسته‌ای را صورت دهند.

در حالی که با ارائه فناوری جدید نسل نوین سوخت‌های هسته‌ای می‌توان در آینده نزدیک شاهد پاکسازی آخرین نسل خوراک هسته‌ای در جهان باشیم، از طرفی این تکنیک جالب توجه می‌تواند الهام‌بخش ارائه کاربردها و زمینه‌های کاری مشابهی باشد که در آنها لزوم پاکسازی مواد به مراتب بیشتر احساس می‌شود تا این که صرفا مشکل ضایعات را با دفن و انباشت تهاجم‌آمیز آن در محیط‌زیست رفع و رجوع کرد؛ به نحوی که با الگو گرفتن از چنین مکانیسم جالب توجهی می‌توان از مکعب‌های توریوم به منظور پاکسازی آلودگی‌های زیست‌محیطی نیز استفاده کرد.

در همین خصوص دانشمندانی از دانشگاه نتردام حبه‌هایی از عنصر توریوم ـ نوعی سوخت اتمی مطرح شده برای نیروگاه‌های هسته‌ای آینده ـ ایجاد کرده‌اند که قادر است با ظرفیت بالایی فرایند جذب مواد رادیواکتیوی همچون تکنتیوم را عملی کند که در طی فرآیندآوری مجدد سوخت اتمی مصرفی ایجاد می‌شود. دانه‌های خرد این عنصر شیمیایی می‌تواند برای جذب هر یونی ـ و نه تنها یون‌های رادیواکتیو مضر ـ مناسب‌سازی و به صورت سفارشی برای آن منظور ارائه شود؛ و همچنین می‌تواند برای تمیز کردن و پاکسازی طیف متنوعی از آلاینده‌های زیست‌محیطی مورد استفاده قرار گیرد و این مهم در حالی است که این فناوری جالب تا حد زیادی هزینه‌های مرتبط با فرآیند ذخیره‌سازی و انباشت خطرناک‌ترین ضایعات رادیواکتیو را کاهش دهد.

توماس اشمیت از دانشمندان دانشگاه نتردام که شرح مقاله آنها اخیرا در ژورنال ویرایش بین‌المللی شیمی کاربردی آمده است، درخصوص این تکنیک جدید خاطرنشان می‌سازد؛ زمانی که پلوتونیوم از سوخت هسته‌ای مصرف شده استخراج می‌شود، شما با میلیون‌ها گالن ضایعات رادیواکتیو پرانرژی روبه‌رو می‌شوید که حاوی برخی از مواد و ترکیبات مضر است. مکانیسم فناورانه‌ای که اکنون مطرح می‌شود، یکی از مواد بسیار معدودی است که می‌تواند این باقیمانده خطرناک و مواد نامطلوب را به دام اندخته و برطرف کند.

عناصری همچون توریوم که نقش نظافتچی مواد رادیواکتیو را بازی می‌کنند در حالی پیشنهاد می‌شود که در حال حاضر بهترین ماده پاک‌کننده یون‌های رادیواکتیوی خاک رس به شمار می‌رود. یون‌های مضر دارای میزان ناچیزی بار الکتریکی مثبت هستند و رس نیز متقابلا دارای اندکی بار الکتریکی منفی است که یون‌ها را از محلول بیرون کشیده و در موضعی آنها را قفل و بلوکه می‌کند. به این ترتیب، می‌توان رس موردنظر را همراه با مواد رادیواکتیوی که جذب کرده به طرز ایمن و مطمئنی در یک سایت مخصوص نگاهداری و محدود کردن ضایعات اتمی سطح بالا ـ نظیر یک معدن نمک قدیمی ـ ذخیره‌سازی و انبار کرد. در واقع رس کار خطیری را در قبال برچیدن و پاک کردن چنین یون‌های مضری برعهده دارد و یک نظافتچی پرکار و مناسب محسوب می‌شود. البته رس علاوه بر وظیفه پاک کردن و برچیدن مواد ساطع‌کننده اشعه بتا ـ مثل اورانیوم ـ کار برطرف‌سازی یون‌های کمتر مضری همچون نیترات‌ها را نیز صورت می‌دهد.

در این میان کارشناسان و محققان معتقدند در صورتی که بتوان مواد خطرناک و کمتر خطرناک را در عوض انباشت و نگهداری توام به طور جداگانه ذخیره‌سازی کرد، دولت‌ها و صنایع هسته‌ای می‌توانند مبالغ کلانی از این راه صرفه‌جویی کنند. البته میزان دقیق پتانسیل این صرفه‌جویی قطعی نیست. تاکنون مکعب‌های توریوم تنها در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی آزمایش شده‌اند؛ و توانسته‌اند حدود 70درصد ماده تکنتیوم را از نمونه موردنظر پاک کنند. محققان برآورد می‌کنند با بهینه‌سازی اندازه، شکل و تغییرات مکعب‌های توریوم می‌توان دست‌کم 90 درصد تکنتیوم را از نمونه پاک نمود. محققان اظهار امیدواری می‌کنند با شروع آزمایشات میدانی این پروژه که بزودی در آزمایشگاه ملی ساوانا در کارولینای جنوبی صورت خواهد پذیرفت، به جواب‌های زیادی در زمینه کارآمدی هزینه و سایر ابعاد به‌کارگیری این تکنیک نوین در عرصه فناوری هسته‌ای دست یابند.

در همین رابطه، دیوید هابس از محققان این مرکز پژوهشی که متولی آزمایش کریستال‌های جدید توریوم خواهد بود، ضمن ابراز امیدواری خاطرنشان می‌سازد از عنصر توریوم بتوان به عنوان خرج و ماده پرکننده‌ای برای پیشگیری یا کاهش شانس آزادسازی مواد رادیواکتیو منتشره از مخزن نگهداری برای هزاران یا حتی صدها هزار سال استفاده کرد. از منظر چشم انسان، هر کریستال به دانه‌ای از نمک یونیزه سفید شباهت می‌برد؛ اما زمانی که یک پیمانه از این بلورها داخل محلول ریخته می‌شود، رنگ بلورها بسته به نوع یون‌هایی که به خود جذب کرده تغییر می‌کند. به عنوان مثال کرومات یا نمک اسید کرومیک رنگ کریستال را به نارنجی مایل به زرد تبدیل می‌کند و از همه زیباتر پرتکتینات سمی است که کریستال‌ها را به رنگ ارغوانی دلپذیری آراسته می‌سازد.

در این میان هر چند محققان از دانه‌های بورات توریوم به شکل مکعب یاد می‌کنند اما این دانه‌ها در خردترین شکل‌شان عملا 8 وجه دارند که همانند 2 هرم از قاعده به هم چسبیده به نظر می‌رسند. تمام هشت وجه بورات توریوم مملو از میلیاردها حفره ریز بیضوی شکل با پهنای کمتر از یک نانومتر است که منظری پر از سوراخ به آن می‌بخشد. اندازه ظریف سوراخ‌ها برای عمل کشیدن و جذب یون‌های باردار مثبت زیانبار ایده‌آل هستند و در عین حال موادی با زیانباری کمتر و بدون بار را پشت‌سر خود برجای می‌گذارند. داخل هر سوراخ دارای میزان ناچیزی بار الکتریکی منفی است که یون‌های فلزی با بار الکتریکی مثبت را جذب و به تله انداخته و به این ترتیب آنها را از محلول پاکسازی می‌کند. به اعتقاد دانشمندان دانشگاه نتردام آنچه این ماده را منحصر به فرد می‌سازد بار الکتریکی آن است؛ به نحوی که از تمامی عناصر موجود در جدول تناوبی که آنها آزمایش کرده‌اند، عنصر توریوم تنها ماده‌ای محسوب می‌شود که از خلل و فرجی با بار الکتریکی منفی برخوردار است این در حالی است که هر کدام از فلزات یا ترکیبات فلزی دیگر دارای سوراخ‌هایی با بار مثبت هستند.

اما دانشمندان برای ایجاد مکعب‌های توریومی ابتدا ترکیبی از توریوم و اسید بوریک را تا دمای 220 درجه سانتی‌گراد حرارت داده و به مجرد این که مخلوط حاضر سخت شد با افزودن آب مقطر به آن، اسید بوریک مازاد را حل کردند. نتیجه کار بر جای ماندن کریستال‌هایی بر کف مخزن بود که می‌توان آنها را جمع‌آوری و مورد استفاده قرار داد. طی این مکانیسم بگیر و ببند، کریستال‌های حاصل تنها یون‌های معلق در مایع را برطرف می‌کنند و مواد جامد حقیقی یا همان ته نشست محیط واکنش به شکل میله‌های شیشه‌ای درآورده شده و به طور جداگانه ذخیره‌سازی می‌شوند. زمانی که فرآیند پاک کردن و برداشتن یون‌ها انجام پذیرفت، مکعب‌های توریوم می‌تواند به رسوبات حاصل افزوده شده و در نتیجه بیشتر اجزای رادیواکتیو فرآیند همجوشی هسته‌ای را به اتفاق در یک محل ذخیره‌سازی کند.

با این اوصاف، عنصری همچون توریوم در کنار قابلیت منحصر به فردش برای پاک کردن ضایعات اتمی، می‌تواند به عنوان مدعی اصلی و برنده احتمالی رقابت بین نسل‌های آینده رآکتورهای سوخت اتمی مطرح شود ـ که در مقایسه با رآکتورهای اورانیوم محور رایج ـ از قرار معلوم با مواد خام پاک‌تر، با ضایعات کمتر و همچنین ارزان‌تر به میدان می‌آیند و این مهم به واسطه مقادیر قابل دسترس بیشتر توریوم نسبت به سوخت‌های رایجی همچون اورانیوم و خاصیت عجیبی است که طبیعت در دل این عنصر به ودیعه گذاشته و با کمک فناوری‌های شیمی بنیان و هسته‌ای، برداشتن گامی تازه در قلمرو تامین انرژی‌های موردنیاز بشر و همچنین حفظ محیط‌زیست را نوید می‌دهد.