这一发现的应用价值在于，能够显著提升对放射性物质在数千年地质储存周期内释放动力学规律的预测精度。通过建立硼同位素比值与放射性核素释放速率的关联模型，可将实验室短期实验数据外推至地质时间尺度，为核废料处置库的安全寿命评估提供可靠的量化依据。
来自北京大学、剑桥大学及合作研究机构的科研团队指出，在核废料与危险工业废料处置领域，硼硅酸盐玻璃因具备优异的化学稳定性和对多种污染物的包容能力，被广泛用作放射性核素(如锕系元素、裂变产物)及重金属(如铅、镉、汞)的固化基材，其通过化学键合与物理包裹作用，将污染物稳定禁锢于非晶态网络结构内部。然而，在长期地质处置环境中，处置库周边的地下水会通过裂隙渗透进入废料罐内部，与玻璃基质发生持续的水-岩相互作用，导致玻璃网络结构逐步解体并释放内部包裹的污染物。因此，厘清玻璃在水介质中的溶解动力学过程，是保障地质废料处置库长期安全性的核心科学问题，而硼同位素凭借其在玻璃结构中的固有性、与水作用的敏感性及比值可精确测量的特性，成为研究该过程的理想示踪剂。
该研究第一作者托马斯·L·古特(Thomas L. Goût)在研究报告中明确指出：“硼同位素是研究废料玻璃与水溶液界面反应的灵敏且直接的示踪剂，其独特优势在于能够区分玻璃溶解的两种核心机制——即初期的表面均匀溶解过程，以及后期受玻璃表面转化层(Altered Surface Layer, ASL)控制的扩散溶解过程，为解析复杂的溶解动力学行为提供了清晰的判断依据。”
研究团队采用硼同位素“指纹识别”技术，通过高精度多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)测量不同反应阶段溶液中11B/10B同位素比值，结合激光共聚焦显微拉曼光谱对玻璃表面微观结构的表征，实现了对硼在溶解玻璃内部迁移路径与转化过程的动态追踪。为明确玻璃成分对溶解行为的影响，团队选取两种典型硼硅酸盐玻璃作为研究对象进行对比实验，分别为不含镁的10B-ISG玻璃(国际标准玻璃)与含镁的6Li-Mg-EM玻璃(工程模拟玻璃)，实验结果表明，硼原子的扩散系数、释放速率及同位素分馏程度，与玻璃的化学组成(尤其是镁元素含量)及水暴露时间呈显著的相关性，且这种相关性可通过动力学方程进行定量描述。
研究人员详细阐述了实验室实验方案：实验采用静态浸泡法，将两种玻璃样本切割为标准尺寸(10mm×10mm×2mm)的薄片，经抛光、超声清洗后，分别置于聚四氟乙烯反应容器中，用去离子水(电阻率≥18.2 MΩ·cm)作为反应介质，在恒温水浴条件下保持90摄氏度的反应温度，实验周期设置为0.25天、1天、3天、7天、14天、28天、56天、84天、112天共9个时间节点，每个节点设置3组平行实验以保证数据可靠性。通过对不同时间节点溶液中硼同位素比值的测量分析，明确在实验初期(≤7天)，两种玻璃均表现为表面均匀溶解特征，硼元素从玻璃表面整体脱落并进入溶液，溶液中11B/10B比值与玻璃本体比值基本一致。
深入解析复杂反应过程
但研究团队在实验报告中进一步指出，随着反应时间延长(>14天)，玻璃溶解机制发生转变，经改变的表面层(ASL)的扩散作用成为控制硼释放的主导机制。通过扫描电子显微镜(SEM)与X射线光电子能谱(XPS)分析发现，在含镁的6Li-Mg-EM玻璃表面，镁离子与水中的硅、铝等元素发生反应，形成镁硅酸盐(如顽火辉石、镁橄榄石)等次生矿物相，这些次生矿物紧密附着于玻璃表面，形成厚度约1-3μm的致密保护层，显著降低了水与玻璃本体的接触面积，从而使溶解速率降低至初始阶段的1/10-1/5。与之形成对比的是，不含镁的10B-ISG玻璃表面仅形成疏松多孔的硅富集层，该表层孔隙率高达30%-40%，无法有效阻挡水分子与玻璃内部的接触，导致硼元素持续通过孔隙扩散至溶液中，溶解速率始终维持在较高水平。
该研究通过系统的实验数据与理论分析证实，基于同位素的示踪技术能够从分子层面揭示废料玻璃在水介质中发生的复杂界面反应，包括玻璃网络水解、离子交换、次生矿物沉淀、元素扩散等多过程的耦合机制。这些基础研究成果对于核废料与工业废料储存策略的优化设计具有关键指导意义，可直接应用于新型抗腐蚀玻璃配方的研发(如通过调控镁、铝等元素含量优化表面层性能)、地质处置库选址的水文地质条件评估，以及储存设施长期安全评估模型的构建，为未来数百年乃至上千年的废料安全处置提供科学保障。
研究聚焦硼同位素指纹技术适用性
该研究成果已发表于环境科学领域权威期刊《Environmental and Biogeochemical Processes》(《环境与生物地球化学过程》)，研究的核心目标是验证硼同位素指纹技术在研究不同成分硼硅酸盐玻璃溶解机制中的适用性与可靠性，并重点探究硼元素在释放过程中发生的固态扩散过程及其对同位素分馏的影响，填补了同位素技术在玻璃腐蚀研究领域的应用空白。
研究人员在论文中详细描述了实验设计与操作细节：“实验选用两种特征明确的硼硅酸盐玻璃，分别为不含镁的10B-ISG玻璃(其10B丰度经人工富集至99.5%)与含镁的6Li-Mg-EM玻璃(含Li₂O 2.5%、MgO 4.0%，其余主要成分为SiO₂、B₂O₃、Al₂O₃)。两种玻璃样本均在90摄氏度的去离子水中进行腐蚀实验，反应时间跨度设置为0.25天至112天。为排除溶液中已溶解离子对后续反应的干扰，研究团队同步开展了溶液更新实验，即每隔7天将反应容器中的溶液全部更换为新鲜去离子水，通过对比静态实验与更新实验中硼同位素比值及元素浓度变化，进一步明确经改变的表面层(ASL)的组成、结构及扩散传输特性。”
研究论文中对实验数据的分析表明：“在实验进行≤28天时，对含镁的6Li-Mg-EM玻璃而言，溶液中硼同位素(11B/10B)比值稳定维持在0.019-0.021之间，这一数据特征表明硼元素从玻璃中发生明显的 congruent(一致性)释放，即硼的释放速率与玻璃整体溶解速率同步;同时，溶液中镁离子浓度随时间下降，结合X射线衍射(XRD)分析结果，证实该阶段伴随有硼元素与次生镁硅酸盐矿物的吸附/共沉淀过程。但当实验进行>28天时，溶液中11B/10B比值从0.020降至0.015以下，这一变化表明玻璃溶解前沿已与表面次生矿物层形成空间分离，硼元素需通过固态扩散方式穿过厚度逐渐增加的表面改变层才能进入溶液，且该扩散过程与锂元素的溶解前沿存在空间差异，锂元素主要在玻璃-表面层界面释放，而硼元素的扩散则发生在整个表面层内部。”
该研究通过多维度实验数据与理论模型的验证，明确证实硼同位素可作为研究玻璃溶解机制的原位示踪剂，其优势在于无需对反应体系进行扰动即可实现对溶解过程的动态监测。基于该技术建立的溶解动力学模型，能够定量描述玻璃成分、环境温度、水化学条件等因素对溶解速率的影响，进而为预测废料玻璃与水溶液相互作用过程中，放射性核素、重金属等污染物的释放通量、释放时间及空间分布提供精准的技术工具，为核废料处置工程的安全设计与长期评估奠定了坚实的科学基础。
