COMPOSITE NỀN GEOPOLYMER KHÔNG CHÌ CHỐNG PHÓNG XẠ
VẬT LIỆU TƯƠNG LAI CHO NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
PGS.TS Nguyễn Học Thắng
Giới thiệu
Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng bền vững và sạch, nhiều quốc gia trên thế giới đang tích cực đầu tư vào điện hạt nhân. Việt Nam đang khởi động lại dự án nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận, với mong muốn tăng nguồn cung ứng năng lượng điện xanh, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và đáp ứng cam kết giảm phát thải carbon.
Geopolymer và các đặc trưng nổi bật của nó
Geopolymer là một vật liệu polymer vô cơ, được hình thành từ các nguồn aluminosilicate như tro bay, bùn đỏ và cao lanh, dưới tác dụng của dung dịch kiềm hoạt hóa (NaOH, KOH hoặc silicate kiềm). Quá trình polymer hóa diễn ra qua nhiều giai đoạn, bao gồm hòa tan nguyên liệu, tạo gel trung gian và cuối cùng là hình thành cấu trúc rắn có khả năng chịu lực cao. Với khả năng kháng nhiệt tốt (đến 1.200°C), độ bền hoá học cao, kháng môi trường axit và bazơ, geopolymer đã chứng minh được tính ứng dụng rộng rãi trong xây dựng và kỹ thuật. Đặc biệt, khi kết hợp với các nguyên tố nặng hay các thành phần tạo mật độ cao như BaSO4 trong cấu trúc nền, geopolymer có thể hấp thụ và cản trở bức xạ phóng xạ một cách hiệu quả.
Khả năng chống bức xạ phóng xạ của geopolymer
Một số nghiên cứu cho thấy, composite nền geopolymer có thể thay thế bê tông chì truyền thống trong việc chống phóng xạ nhờ vào mật độ cao, cấu trúc vi mô ổn định và không gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, các phương pháp tối ưu hóa thành phần, thêm sợi gia cường hoặc sử dụng geopolymer kết hợp với hạt nano hấp phụ phóng xạ cũng đang được nghiên cứu để nâng cao hiệu suất bảo vệ bức xạ.
Hình 1. Khả năng chống bức xạ phóng xạ siêu việt của geopolymer so với các vật liệu khác
Vật liệu composite nền geopolymer có nhiều ưu điểm vượt trội so với bê tông truyền thống và các vật liệu chống phóng xạ chứa chì: An toàn và thân thiện với môi trường (Không chứa chì, giảm thiểu rủi ro ô nhiễm môi trường và sức khỏe con người); Độ bền cơ học cao (Geopolymer có cường độ nén cao, chống mài mòn tốt và duy trì độ bền lâu dài); Khả năng chịu nhiệt và hóa chất (Chống chịu nhiệt độ cao, không bị phân hủy trong môi trường axit, bazơ hoặc bức xạ mạnh); Khả năng che chắn phóng xạ (Khi kết hợp với các nguyên tố nặng hay các thành phần tạo mật độ cao như BaSO4, geopolymer trở thành một vật liệu chống bức xạ hiệu quả, thay thế các loại bê tông chì truyền thống vốn gây ô nhiễm và độc hại); Tính linh hoạt trong sản xuất (Có thể đúc thành nhiều hình dạng khác nhau, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật phức tạp của công trình hạt nhân); Hiệu quả kinh tế (Sử dụng nguyên liệu tái chế như tro bay, bùn đỏ giúp giảm chi phí sản xuất và tận dụng chất thải công nghiệp).
Khả năng hấp phụ chất phóng xạ của geopolymer
Geopolymer không chỉ có khả năng che chắn mà còn có thể lưu trữ các nguyên tố phóng xạ một cách an toàn. Các đặc điểm giúp geopolymer trở thành vật liệu lý tưởng cho việc cô lập chất thải phóng xạ. Geopolymer có cấu trúc mạng lưới ba chiều bền vững và ổn định với độ rỗng thấp, giúp cố định các ion phóng xạ và ngăn chặn sự rò rỉ. Nhờ vào thành phần aluminosilicate, geopolymer có thể hấp phụ và giữ lại các cation phóng xạ như Cs⁺, Sr²⁺, UO₂²⁺, giúp giảm nguy cơ phát tán phóng xạ ra môi trường. Geopolymer có khả năng chịu đựng môi trường axit, bazo, bức xạ mạnh và nhiệt độ cao, giúp duy trì sự ổn định của các nguyên tố phóng xạ trong thời gian dài. Geopolymer có thể được kết hợp với các vật liệu hấp phụ như zeolite, bentonite để tăng cường hiệu suất lưu trữ chất thải hạt nhân. Các nghiên cứu cho thấy geopolymer có thể lưu trữ chất thải phóng xạ hàng trăm đến hàng nghìn năm mà không bị suy giảm cấu trúc. Nhờ những ưu điểm này, geopolymer được coi là một trong những giải pháp tiềm năng nhất cho việc quản lý và lưu trữ chất thải phóng xạ trong các nhà máy điện hạt nhân.
Hình 2. Quá trình hấp thụ và cố định các chất phóng xạ trong mạng lưới cấu trúc geopolymer
Kết luận
Composite nền geopolymer không chì chống phóng xạ là vật liệu tiên tiến với khả năng thay thế các loại vật liệu truyền thống trong xây dựng nhà máy điện hạt nhân. Với độ bền cao, khả năng chống phóng xạ và an toàn môi trường, nó hứa hẹn trở thành xu hướng tương lai trong công nghệ xây dựng hạt nhân.
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyen Hoc Thang (2021). Microstructure stability and thermal resistance of ash-based geopolymer with sodium silicate solution at high temperature. International Journal of Engineering Research in Africa 53, 101-111. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JERA.53.101
[2] Daquan Shi, Yan Xia, Yading Zhao, Xiaobing Ma, Jian Wang, Minghao Liu, Kunyang Yu (2024). Evaluation of technical and gamma radiation shielding properties of sustainable ultra-high performance geopolymer concrete. Construction and Building Materials, Volume 436, 19, 137003. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.137003
[3] Siqi Ma, Shuai Fu, Hualong Yang, Peigang He, Zhenlin Sun, Xiaoming Duan, Dechang Jia, Paolo Colombo, Yu Zhou (2024). Exploiting bifunctional 3D-Printed geopolymers for efficient cesium removal and immobilization: An approach for hazardous waste management. Journal of Cleaner Production, Volume 437, 15, 140599. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.140599
[4] Emile Mukiza, Quoc Tri Phung, Suresh C. Seetharam, Thi Nhan Nguyen, Christophe Bruggeman, Geert De Schutter (2024). Recent advances in immobilization of radioactive cesium and strontium-bearing wastes in alkali activated materials – A review. Journal of Environmental Management, Volume 370, 122746. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.122746
[5] Sefiu Abolaji Rasaki, Zhang Bingxue, Rohiverth Guarecuco, Tiju Thomas, Yang Minghui (2019). Geopolymer for use in heavy metals adsorption, and advanced oxidative processes: A critical review. Journal of Cleaner Production, Volume 213, 42-58. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.145
BM Công nghệ Vật liệu
Khoa Công nghệ Hóa Học
Xem thêm :