दुनिया भर में परमाणु गतिविधियाँ लगभग 200,000 मी उत्पन्न करें3 का रेडियोधर्मी कचरे प्रत्येक वर्ष। इसमें से लगभग 10,000 मी3मात्रा के हिसाब से 5% से कम लेकिन अधिकांश रेडियोधर्मिता युक्त, भूवैज्ञानिक निपटान सुविधाओं (जीडीएफ) के रूप में गहरे, दीर्घकालिक भूवैज्ञानिक भंडारण की आवश्यकता है। सैकड़ों मीटर भूमिगत उद्देश्य से बनाई गई ये गुफाएं अपशिष्ट कंटेनरों, सीमेंट बैकफ़िल और मिट्टी जैसी उपयुक्त मेजबान चट्टान से भरी हुई हैं।
सीमेंट इन सुविधाओं में कई भूमिकाएँ निभाता है, जिसमें कचरे को जगह पर रखना, सुरंगों और वाल्टों का समर्थन करना और यदि भूजल कभी भी अंदर चला जाता है तो रेडियोधर्मी तत्वों की गति को धीमा करने में मदद करना शामिल है।
पारंपरिक पोर्टलैंड सीमेंट का पीएच बहुत अधिक होता है, 12 से ऊपर, जो मजबूती के लिए और कई रेडियोन्यूक्लाइड्स को फंसाने के लिए अच्छा है, लेकिन यह समस्याएं भी पैदा करता है। जब पानी इस सीमेंट के संपर्क में आता है तो यह स्वयं बहुत क्षारीय हो जाता है, और इस प्रकार स्टील और एल्यूमीनियम को संक्षारित करने में सक्षम होता है, हाइड्रोजन गैस का उत्पादन करता है, और तरल पदार्थों को अवशोषित करने की उनकी क्षमता को कमजोर करके बेंटोनाइट जैसी मिट्टी की बाधाओं को नुकसान पहुंचाता है।
भंडार में ऐसी समस्याएं पैदा करने से बचने के लिए, इंजीनियरों ने 10-11 के करीब पोरवाटर पीएच के साथ कम पीएच वाले सीमेंट विकसित किए हैं। ये मिश्रण साधारण पोर्टलैंड सीमेंट की मात्रा को कम करते हैं और सिलिका धूआं और ब्लास्ट फर्नेस स्लैग जैसी सामग्री जोड़ते हैं, जिससे कैल्शियम-सिलिकेट-हाइड्रेट जैल का उत्पादन होता है।
दोहरी धार वाली तलवार
ऐसा ही एक फॉर्मूलेशन, जिसे CEBAMA मिक्स के नाम से जाना जाता है, यूरोपीय निपटान अवधारणाओं में उपयोग के लिए एक मजबूत उम्मीदवार के रूप में उभरा है। इसमें अनुकूल यांत्रिक प्रदर्शन और मिट्टी और मेजबान चट्टानों के साथ रासायनिक अनुकूलता के साथ पीएच कम है। हालाँकि, अभी भी इस बारे में महत्वपूर्ण प्रश्न हैं कि CEBAMA कई शताब्दियों में कैसे विकसित होगा – रासायनिक प्रभावों के साथ-साथ क्षारीय और कम ऑक्सीजन वातावरण में रहने वाले रोगाणुओं की उपस्थिति के कारण।
सीमेंट में माइक्रोबियल गतिविधि एक प्रसिद्ध दोधारी तलवार है: सूक्ष्मजीव सीवर जैसी संरचनाओं में कंक्रीट को नष्ट कर सकते हैं, जबकि कुछ बैक्टीरिया माइक्रोबियली प्रेरित कार्बोनेट वर्षा (एमआईसीपी) नामक प्रक्रिया को प्रेरित कर सकते हैं। साधारण कंक्रीट में, एमआईसीपी को कैल्शियम कार्बोनेट से भरकर सूक्ष्म दरारें और छिद्रों को सील करने, उनकी ताकत और स्थायित्व में सुधार करने के लिए दिखाया गया है। हालाँकि ये अध्ययन ज्यादातर एरोबिक स्थितियों में और मानक सीमेंट के साथ आयोजित किए गए हैं, जिसका पीएच अधिक है।
जीडीएफ में स्थितियाँ स्पष्ट रूप से भिन्न होती हैं: वे एनोक्सिक, क्षारीय और विघटित आयनों से समृद्ध होती हैं। जबकि अजैविक कार्बोनेट का गठन सीमित है, क्षारीय, अवायवीय रोगाणुओं से अभी भी उन जगहों पर उपनिवेश बनाने में सक्षम होने की उम्मीद है जहां वे पानी और पोषक तत्व पा सकते हैं। मैनचेस्टर विश्वविद्यालय के एक नए अध्ययन के लेखक यह जानना चाहते थे कि क्या ऐसे रोगाणु भंडार की स्थितियों में कम-पीएच सीमेंट में एमआईसीपी चला सकते हैं और क्या शुद्ध प्रभाव फायदेमंद या हानिकारक होगा।
छह महीने की पढ़ाई
इन उद्देश्यों के लिए, शोधकर्ताओं ने एक लंबी अवधि का प्रयोग स्थापित किया। उन्होंने CEBAMA कम-पीएच सीमेंट की छोटी गोलियां डालीं। फिर उन्होंने एक सीलबंद बोतल में चार-चार गोलियाँ रखीं जिनमें कुछ सिंथेटिक भूजल था जो ऑक्सफोर्ड मिट्टी के छिद्रित पानी की नकल करता था और ब्रिटेन में हरपुर हिल की उच्च-पीएच मिट्टी से थोड़ी मात्रा में तलछट थी (जिसमें क्षारीय सूक्ष्मजीव शामिल थे)। शोधकर्ताओं ने बोतलों को सील कर दिया, ऑक्सीजन निकालने के लिए उन्हें फ्लश कर दिया और उन्हें 20º C पर अंधेरे में रखा।
इसके बाद, उन्होंने इन बोतलों को तीन समूहों में विभाजित कर दिया। प्रत्येक समूह का एक अलग कार्बन समूह था। उच्च-कार्बन समूह में, प्रत्येक बोतल में लैक्टेट आयन (सी) भी होते हैं3एच5हे3—) एक कार्बनिक कार्बन स्रोत के रूप में जबकि नाइट्रोजन ने हेडस्पेस भर दिया। निम्न-कार्बन समूह में, प्रत्येक बोतल में थोड़ी मात्रा में खमीर अर्क होता था और एक हाइड्रोजन हेडस्पेस होता था, जो उस हाइड्रोजन का प्रतिनिधित्व करता था जो स्टील के खराब होने पर उत्पन्न हो सकता था। और नो-कार्बन समूह में, प्रत्येक बोतल में कोई अतिरिक्त कार्बनिक कार्बन और नाइट्रोजन हेडस्पेस नहीं था।
मुख्य प्रयोगों के लिए, टीम ने सभी बोतलों में कुछ नाइट्रेट आयन जोड़े।
छह महीनों में, शोधकर्ताओं ने समय-समय पर प्रत्येक बोतल में तरल का नमूना लिया। उन्होंने स्पेक्ट्रोस्कोपी और माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके विश्लेषण के लिए प्रत्येक बोतल से एक सीमेंट टैबलेट भी निकाला। और उन्होंने माइक्रोबियल समुदाय में परिवर्तनों का पालन करने के लिए घोल में जीनों को अनुक्रमित किया।
कार्बन का चयापचय
इन अध्ययनों के आधार पर, शोधकर्ताओं ने पाया कि कम-पीएच सीमेंट में, एमआईसीपी स्वचालित रूप से नहीं होता है, इसके बजाय यह कार्बनिक कार्बन और एक उपयुक्त इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता (जैसे नाइट्रेट आयन) की उपलब्धता पर निर्भर करता है। जब ये स्थितियाँ पूरी हो जाती हैं, तो रोगाणु कार्बोनेट का उत्पादन करते हैं जो कई महीनों तक दरारों को ‘ठीक’ करते हैं और छिद्रों को बंद कर देते हैं। लेकिन अगर कार्बन दुर्लभ है, तो सीमेंट कैल्शियम और कुछ हद तक मैग्नीशियम आयनों को पानी में छोड़ देता है जबकि एमआईसीपी की दर कम रहती है।
अध्ययन के पहले लेखक और मैनचेस्टर विश्वविद्यालय के विद्वान अनन्या सिंह ने कहा, “हालांकि भंडार में प्रवेश करने वाले थोक भूजल के ऑलिगोट्रोफिक होने की उम्मीद है, लेकिन कार्बनिक कार्बन की उच्च सांद्रता वाले स्थानीयकृत क्षेत्रों को संभावित माना जाता है।” द हिंदू एक ईमेल में. “कार्बनिक परमाणु कचरे के कई रूप समय के साथ ख़राब हो जाते हैं, सीमेंट सहित इंजीनियर बाधा प्रणाली के भीतर विषम ‘पॉकेट’ में घुले हुए कार्बनिक कार्बन को छोड़ते हैं, जिससे कार्बनिक-समृद्ध स्थान बनते हैं जो माइक्रोबियल विकास का समर्थन कर सकते हैं।”
डॉ. सिंह ने कहा, “हमारे प्रयोगों में नाइट्रेट (खर्च किए गए परमाणु ईंधन के पुनर्संसाधन में उपयोग किए जाने वाले नाइट्रिक एसिड का एक उप-उत्पाद) का उपयोग एक मॉडल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में किया गया था, लेकिन यह जीडीएफ में उपलब्ध एकमात्र ऑक्सीडेंट होने की उम्मीद नहीं है। अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता जैसे सल्फेट, फेरिक आयरन, या यहां तक कि शुरुआती पोस्ट-क्लोजर चरणों के दौरान ऑक्सीजन भी मौजूद हो सकते हैं।” “इस प्रकार, इलेक्ट्रॉन दाताओं और इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता दोनों की समग्र आपूर्ति सख्ती से सीमित नहीं है।”
जीडीएफ डिजाइन करने वाले विशेषज्ञ पहले से ही आशंकित रहे हैं कि किसी सुविधा में रोगाणु आसानी से सीमेंट पर हमला कर सकते हैं और बाधाओं को कमजोर कर सकते हैं, जिसमें नए कम-पीएच फॉर्मूलेशन भी शामिल हैं। लेकिन नए अध्ययन से इसके विपरीत पता चला है: उच्च-कार्बन निचे में, रोगाणुओं के चयापचय से कार्बोनेट जमा होता है जो सीमेंट के बाहरी किनारे को मोटा कर देता है और दरारें सील कर देता है।
में निष्कर्ष प्रकाशित किए गए थे एसीएस ओमेगा 19 नवंबर को.
सीमेंट की अखंडता
हालाँकि, स्व-उपचार संपत्ति ट्रेडऑफ़ के साथ आती है। एक सीलबंद भंडार में, जब एमआईसीपी छिद्रों को बंद कर देता है और दरारें सील कर देता है, तो हाइड्रोजन और मीथेन जैसी गैसें – धातु के संक्षारण और कार्बनिक क्षरण से उत्पन्न होती हैं – वैकल्पिक मार्गों के साथ यांत्रिक स्थिरता का निर्माण और प्रभावित कर सकती हैं। शोधकर्ताओं ने स्वीकार किया कि भविष्य के मॉडलों को जलरोधी होने और गैस प्रवाह को बाधित करने के बीच इस संतुलन की जांच करनी होगी।
“हमारे… प्रयोगों से संकेत मिलता है कि कम-पीएच सीमेंट में, माइक्रोबियल गतिविधि अपेक्षाकृत पतले, सतह-सीमित कार्बोनेट क्षेत्र का उत्पादन करने की अधिक संभावना है, जो कुछ सैकड़ों माइक्रोमीटर मोटी है, जो एक सुरक्षात्मक परत प्रदान करती है और आंतरिक छिद्र नेटवर्क को पूरी तरह से अवरुद्ध करने के बजाय स्थानीय सीलिंग में सुधार करती है,” डॉ. सिंह ने समझाया। “इसलिए, नतीजे बताते हैं कि शुरुआती चरणों के दौरान, जब सीमेंट अभी भी संरचनात्मक रूप से सुसंगत है, माइक्रोबियल मध्यस्थता वाली प्रक्रियाएं सीमेंट की अखंडता से समझौता नहीं करती हैं।”
लेकिन जीडीएफ के लिए प्रासंगिक समय-सीमा में, यानी लाखों वर्षों में, “सीमेंट अनिश्चित काल तक बरकरार नहीं रहेगा; यह धीरे-धीरे बदल जाएगा और एक क्षारीय प्लम में योगदान देगा जो निकट क्षेत्र में उच्च-पीएच स्थितियों को बनाए रखता है… यह परिवर्तन अजैविक या जैविक उपचार की क्षमता से परे दरारें पैदा करेगा। अच्छी खबर यह है कि ये दरारें उत्पन्न होने वाली किसी भी गैस के लिए बहुत सारे निकास मार्ग प्रदान करती हैं।”
“शुरुआती चरणों में स्व-उपचार लाभों और गैस परिवहन पर संभावित प्रभावों के बीच संतुलन का पूरी तरह से आकलन करने के लिए, आगे काम करने की आवश्यकता है। इसके लिए लक्षित गैस-प्रवाह प्रयोगों और युग्मित प्रतिक्रियाशील-परिवहन मॉडलिंग की आवश्यकता होगी ताकि हमारे सेंटीमीटर- और महीने-पैमाने के अवलोकनों को सदियों से रिपॉजिटरी-स्केल व्यवहार में इस तरह से विस्तारित किया जा सके, जो सुरक्षा मामले के आकलन के लिए सार्थक हो सके।”
सिर्फ ‘अच्छा’ या ‘बुरा’ नहीं
अध्ययन में इस बात पर भी प्रकाश डाला गया कि अकेले हाइड्रोजन, भले ही यह एक इलेक्ट्रॉन दाता है, अध्ययन में उपयोग की गई शर्तों के अनुसार, व्यावहारिक समय के पैमाने पर क्षारीय सीमेंट में मजबूत माइक्रोबियल गतिविधि और एमआईसीपी को चलाने के लिए पर्याप्त नहीं हो सकता है। इन परिस्थितियों में जिन रोगाणुओं ने सबसे अधिक तीव्रता से प्रतिक्रिया की, वे हेटरोट्रॉफ़िक नाइट्रेट रिड्यूसर थे, जिन्हें हाइड्रोजनोट्रॉफ़ के बजाय कार्बनिक कार्बन द्वारा पोषित किया गया था। यह खोज उन सीमाओं को लगाती है जिन पर जीडीएफ में सीमेंट के विकास के लिए माइक्रोबियल प्रक्रियाएं अधिक मायने रखती हैं।
अंत में, परिणाम एक अनुस्मारक हैं कि चरम वातावरण में रोगाणु स्वचालित रूप से इंजीनियर सिस्टम के लिए ‘अच्छे’ या ‘बुरे’ नहीं होते हैं। पीएच 10-11 में क्षारीय समुदाय सही संसाधन दिए जाने पर मरम्मत दल की तरह हो सकते हैं। लेकिन ये निष्कर्ष नियंत्रित प्रयोगशाला स्थितियों में और केवल छह महीनों में बनाए गए थे। एक वास्तविक भंडार में, भूजल प्रवाह सब्सट्रेट्स और दशकों से सदियों तक चलने वाली प्रक्रियाओं को फिर से भर सकता है, और सीमेंट के प्रदर्शन पर माइक्रोबियल गतिविधि का शुद्ध प्रभाव इस बात पर निर्भर करेगा कि ये तंत्र कैसे बढ़ते हैं।
कहने का तात्पर्य यह है कि नया अध्ययन कम-पीएच सीमेंट में रोगाणुओं पर अध्याय को बंद नहीं करता है, बल्कि अधिक जटिल और संभावित रूप से उपयोगी भूमिका की ओर इशारा करता है। यह सुझाव देता है कि रेडियोधर्मी अपशिष्ट निपटान के लिए किसी भी भविष्य के सुरक्षा मूल्यांकन और इंजीनियरिंग डिज़ाइन को माइक्रोबियल चयापचय को सक्रिय चर के रूप में समझना चाहिए और संभवतः पृष्ठभूमि शोर को अनदेखा करने के बजाय सक्रिय चर के रूप में समझना चाहिए।