工程師將改進鋼筋材質 以容納更高層次的核廢料

嵌入混凝土中的金屬會被腐蝕、生鏽和削弱，直到混凝土裂開，其支撐的結構倒下。據美國國家標準與技術研究所（NIST）稱，這種腐蝕被認為是加劇導致2021年6月24日佛羅里達州Surfside市公寓倒塌的主要問題之一。

建築工程助理教授Juan Pablo"JP"Gevaudan表示，這種腐蝕是全球所有領域的基礎設施中最大的耐久性挑戰之一，他是美國能源部（DOE）核能大學項目的首席調查員，該項目為期三年，耗資80萬美元，將進一步探索混凝土的電化學腐蝕降解科學，因為它同時也適用於高級核廢料（HLNW）。

根據能源部的定義，HLNW是指任何需要永久隔離的放射性材料，它可以由核燃料加工產生放射性核素，這些放射性原子本身是不穩定的，且對生命有害。目前，HLNW被包裝在金屬罐中並被嵌入混凝土中。Gevaudan的合作者包括工程科學和機械學助理教授Andrea Argüelles，以及建築工程助理教授Rebecca Napolitano。

瞭解和防止腐蝕，特別是在基礎設施中是巨大的全球耐久性挑戰之一，混凝土的降解科學適用於許多工程領域。

據Gevaudan説，當他和他的合作者瞭解到核燃料循環壽命結束時的挑戰時，他們看到建築工程改善建築環境耐久性的目標與能源部研究嵌入HLNW金屬罐的腐蝕以延長核廢料處理基礎設施的使用壽命的目標之間的協同作用。為了在整個大學園區擴大這種協同作用，該團隊已經與Ken和Mary Alice Lindquist核工程系的教師會面，以確定他們的工作可能一致的領域，並且他們計劃繼續討論趨同的研究領域。

由Gevaudan領導的研究小組設計了有史以來第一個超聲波-電化學阻抗光譜組合裝置，稱為UT-EIS，用於非破壞性地評估新的水泥緩衝材料和高級核廢料罐之間的耐腐蝕性。資料來源：賓州州立大學/Juan Pablo Gevaudan

“在這個獨特的項目中，我們的目標是創造一種新的材料，可以保護高級別核廢料金屬罐，這些金屬罐包含了核反應堆中發生反應的廢物副產品，“Gevaudan説。“我們希望我們將開發出一種新的水泥基緩衝材料，能夠固定有害的放射性核素，在危急情況下，這些放射性核素可能會從HLNW金屬罐中泄漏，並防止廢物進入環境和人類--這將是一場災難。”

在這個項目中，Gevaudan將利用他的研究小組：響應性和適應性基礎設施材料（Re-AIM）研究小組的最新進展，利用有機和無機化學的相互作用來開發精確設計的現代混凝土材料。為了預測這些新的緩衝材料隨着時間的推移而發生的退化，Napolitano將創建系統的數字雙胞胎，以模擬擬議的解決方案並測試潛在的結果。Argüelles將採用定製安排中的金屬界面超聲波測試，以非破壞性地評估不同緩衝材料配方的腐蝕潛力。該團隊計劃在10月開始的資助期的前18個月裏，共同開發一種能夠結合從反應堆金屬罐中泄漏的有害廢物的混凝土。在後18個月中，他們計劃改進緩衝材料，以幫助防止金屬罐首先被腐蝕。

“鋼筋和混凝土是最好的朋友，“Gevaudan説。“混凝土的微觀結構特性允許鋼筋形成一個被動層，一種保護它不被腐蝕的保護殼--但它會由於年齡或環境的侵害而被破壞。我們正在開發的材料將創造一個被動層，在幾千年到可能是幾百萬年的時間裏防止腐蝕。”

為了幫助實現一種長期有效的材料，該團隊正在從梅特勒·託利多公司購買一個自動反應器，該公司為一系列領域生產精密儀器。有了這個反應器，研究人員可以在精確控制的條件下合成具有所需特性的現代水泥材料。該機器還有助於跟蹤新水泥中形成的相，這使研究人員能夠更多地瞭解隨着膠凝材料的產生而演變的特定礦物配置。

Gevaudan説：“我們將能夠快速確定哪種相能夠最好地結合感興趣的放射性核素，這將幫助我們快速跟蹤材料的開發。水泥研究傳統上使用的是停留在過去的方法論。”