工程师将改进钢筋材质 以容纳更高层次的核废料

嵌入混凝土中的金属会被腐蚀、生锈和削弱，直到混凝土裂开，其支撑的结构倒下。据美国国家标准与技术研究所（NIST）称，这种腐蚀被认为是加剧导致2021年6月24日佛罗里达州Surfside市公寓倒塌的主要问题之一。

建筑工程助理教授Juan Pablo"JP"Gevaudan表示，这种腐蚀是全球所有领域的基础设施中最大的耐久性挑战之一，他是美国能源部（DOE）核能大学项目的首席调查员，该项目为期三年，耗资80万美元，将进一步探索混凝土的电化学腐蚀降解科学，因为它同时也适用于高级核废料（HLNW）。

根据能源部的定义，HLNW是指任何需要永久隔离的放射性材料，它可以由核燃料加工产生放射性核素，这些放射性原子本身是不稳定的，且对生命有害。目前，HLNW被包装在金属罐中并被嵌入混凝土中。Gevaudan的合作者包括工程科学和机械学助理教授Andrea Argüelles，以及建筑工程助理教授Rebecca Napolitano。

了解和防止腐蚀，特别是在基础设施中是巨大的全球耐久性挑战之一，混凝土的降解科学适用于许多工程领域。

据Gevaudan说，当他和他的合作者了解到核燃料循环寿命结束时的挑战时，他们看到建筑工程改善建筑环境耐久性的目标与能源部研究嵌入HLNW金属罐的腐蚀以延长核废料处理基础设施的使用寿命的目标之间的协同作用。为了在整个大学园区扩大这种协同作用，该团队已经与Ken和Mary Alice Lindquist核工程系的教师会面，以确定他们的工作可能一致的领域，并且他们计划继续讨论趋同的研究领域。

由Gevaudan领导的研究小组设计了有史以来第一个超声波-电化学阻抗光谱组合装置，称为UT-EIS，用于非破坏性地评估新的水泥缓冲材料和高级核废料罐之间的耐腐蚀性。资料来源：宾州州立大学/Juan Pablo Gevaudan

“在这个独特的项目中，我们的目标是创造一种新的材料，可以保护高级别核废料金属罐，这些金属罐包含了核反应堆中发生反应的废物副产品，“Gevaudan说。“我们希望我们将开发出一种新的水泥基缓冲材料，能够固定有害的放射性核素，在危急情况下，这些放射性核素可能会从HLNW金属罐中泄漏，并防止废物进入环境和人类--这将是一场灾难。”

在这个项目中，Gevaudan将利用他的研究小组：响应性和适应性基础设施材料（Re-AIM）研究小组的最新进展，利用有机和无机化学的相互作用来开发精确设计的现代混凝土材料。为了预测这些新的缓冲材料随着时间的推移而发生的退化，Napolitano将创建系统的数字双胞胎，以模拟拟议的解决方案并测试潜在的结果。Argüelles将采用定制安排中的金属界面超声波测试，以非破坏性地评估不同缓冲材料配方的腐蚀潜力。该团队计划在10月开始的资助期的前18个月里，共同开发一种能够结合从反应堆金属罐中泄漏的有害废物的混凝土。在后18个月中，他们计划改进缓冲材料，以帮助防止金属罐首先被腐蚀。

“钢筋和混凝土是最好的朋友，“Gevaudan说。“混凝土的微观结构特性允许钢筋形成一个被动层，一种保护它不被腐蚀的保护壳--但它会由于年龄或环境的侵害而被破坏。我们正在开发的材料将创造一个被动层，在几千年到可能是几百万年的时间里防止腐蚀。”

为了帮助实现一种长期有效的材料，该团队正在从梅特勒·托利多公司购买一个自动反应器，该公司为一系列领域生产精密仪器。有了这个反应器，研究人员可以在精确控制的条件下合成具有所需特性的现代水泥材料。该机器还有助于跟踪新水泥中形成的相，这使研究人员能够更多地了解随着胶凝材料的产生而演变的特定矿物配置。

Gevaudan说：“我们将能够快速确定哪种相能够最好地结合感兴趣的放射性核素，这将帮助我们快速跟踪材料的开发。水泥研究传统上使用的是停留在过去的方法论。”