샌디아국립연구소(SandiaNational Laboratories)는 방사성 폐기물이 토양 및 퇴적물과 어떠한 상호작용을 하는지를 보여주는 컴퓨터 모델을 개발 중이다.

 

이번 연구개발의 성공은 방사성 폐기물의 처리 및 식수로부터의 오염 방지 방안 강구에 상당한 도움이 될 것으로 보인다.

 

Randall Cygan 박사는 "근본적인 화학 반응 및 방사성 오염물질이 토양 혹은 바위에 그대로 머무는지 혹은 떨어져 나와 지역사회로 이어지는 수계로 흘러 들어가는지 파악하는 것 조차, 필요한 정보가 매우 제한적"이라고 말한다.

 

연구진은 방사성 물질과 납, 비소, 카드뮴과 같은 유독한 중금속 등의 오염물질에 대한 지리화학적 연구를 진행하여 왔다.

 

하지만 토양의 실험실 규모 실험은 매우 까다로운 편이다. Cygan 박사는, “토양을 다룰 때 까다로운 점은 전통적인 방법으로 구성 광물을 특징화하기 어렵다는 것이다. 현미경을 통해, 충분한 정보를 얻는 것은 제한적”이라고 설명한다.

Cygan 박사에 따르면, 보통 토양은 극초미세 결정립의 점토 광물로 대부분 이루어져 있어 매우 입자가 작은 편이다. 현미경 수준이나 전통적인 분광학적 방법으로는 이러한 물질을 해부하여, 오염물질이 어떻게 존재하는지를 아는 것은 매우 어렵다.

 

따라서 Cygan 박사와 연구진은 컴퓨터 모델을 이용하여, 이러한 한계를 극복하고자 하였다. 그는 “컴퓨터 상으로 개념적인 모델을 구상하여 얻어진 분자 수준의 모델을 통해, 오염물질과 광물 표면 간의 상호 작용에 관한 다양한 실행 가능 메커니즘을 시험할 수 있다”고 설명하였다.

본래의 나노 물질로서의 점토 광물은 심부 암석의 풍화작용으로 만들어진 산물이다. 암석은 화학적 그리고 물리적으로 점토 광물로 풍화한다. 표면적이 넓은 점토 광물은 잠재적으로 다양한 형태의 오염물질 흡착이 가능하다.

 

점토 광물은 정전기적 힘으로 규산 알루미늄(aluminosilicate) 층을 이루고 있다. 물과 이온이 이러한 층 간에 스며들면서 팽창하게 되며, 틈새로 오염물질이 흡착되게 된다.

 

Cygan 박사는, “이는 지하수로부터 방사성 핵종이나 중금속을 포집하는데 효율적인 방법이다. 하지만 전통적인 실험법으로는 분자 수준에서 일어나는 층간 메커니즘을 해석하기 매우 어렵다”고 말한다.

분자 모델링은 점토 광물 내부와 표면에 붙은 오염물질의 특성과 상호작용 설명에 유용하다. 연구진은 시뮬레이션 도구와 이에 대한 정확도 및 예측도를 높이기 위한 특정 에너지장(energy force field)을 개발 중이다.

 

이를 통해 점토광물과 오염물질 간의 상호작용 및 원자 요소에 대한 근본적인 이해가 가능할 것으로 기대된다. 또한 얼마나 많은 오염물질이 내부층과 외부 표면에 흡착되어 있는지, 점토와의 결합력 수준이 얼마나 큰지 등을 예측할 수 있다.

 

Cygan 박사는 “이번 연구는 우라늄과 같은 방사성 오염물질이 점토 표면에 얼마나 강력하게, 또는 약하게 흡착되어 있는지 정량화할 수 있는 길을 열었다. 이를 통해 폐기물 처리장으로부터의 방사성 핵종 이동을 효과적으로 막을 수 있는 장벽 개발도 가능하게 된다”고 덧붙였다.

 

 

 

 

 

Sandia National Laboratories is developing computer models that show how radioactive waste interacts with soil and sediments, shedding light on waste disposal and how to keep contamination away from drinking water.

 

"Very little is known about the fundamental chemistry and whether contaminants will stay in soil or rock or be pulled off those materials and get into the water that flows to communities," said Sandia geoscientist Randall Cygan.

 

Researchers have studied the geochemistry of contaminants such as radioactive materials and toxic heavy metals, including lead, arsenic and cadmium. But laboratory testing of soils is difficult.

 

"The tricky thing about soils is that the constituent minerals are hard to characterize by traditional methods," Cygan said. "In microscopy there are limits on how much information can be extracted."

 

He said soils are often dominated by clay minerals with ultra-fine grains less than 2 microns in diameter. "That's pretty small," he said. "We can't slap these materials on a microscope or conventional spectrometer and see if contaminants are incorporated into them."

 

Cygan and his colleagues turned to computers. "On a computer we can build conceptual models," he said. "Such molecular models provide a valuable way of testing viable mechanisms for how contaminants interact with the mineral surface."

 

He describes clay minerals as the original nanomaterial, the final product of the weathering process of deep-seated rocks. "Rocks weather chemically and physically into clay minerals," he said. "They have a large surface area that can potentially adsorb many different types of contaminants."

 

Clay minerals are made up of aluminosilicate layers held together by electrostatic forces. Water and ions can seep between the layers, causing them to swell, pull apart and adsorb contaminants.

 

"That's an efficient way to sequester radionuclides or heavy metals from ground waters," Cygan said. "It's very difficult to analyze what's going on in the interlayers at the molecular level through traditional experimental methods."

 

Molecular modeling describes the characteristics and interaction of the contaminants in and on the clay minerals. Sandia researchers are developing the simulation tools and the critical energy force field needed to make the tools as accurate and predictive as possible.

 

"We've developed a foundational understanding of how the clay minerals interact with contaminants and their atomic components," Cygan said. "That allows us to predict how much of a contaminant can be incorporated into the interlayer and onto external surfaces, and how strongly it binds to the clay."

 

The computer models quantify how well a waste repository might perform. "It allows us to develop performance assessment tools the Environmental Protection Agency and Nuclear Regulatory Commission need to technically and officially say, 'Yes, let's go ahead and put nuclear waste in these repositories,'" Cygan said.

 

Molecular modeling methods also are used by industry and government to determine the best types of waste treatment and mitigation. "We're providing the fundamental science to improve performance assessment models to be as accurate as possible in understanding the surface chemistry of natural materials," Cygan said.

 

"This work helps provide quantification of how strongly or weakly uranium, for example, may adsorb to a clay surface, and whether one type of clay over another may provide a better barrier to radionuclide transport from a waste repository.

 

Our molecular models provide a direct way of making this assessment to better guide the design and engineering of the waste site. How cool is that?"