Måling af neutroner for at reducere nukleart affald:Ny teknik baner vejen for forbedrede faciliteter til behandling af nukleart affald

Atomkraft betragtes som en af ​​måderne til at reducere afhængigheden af ​​fossile brændstoffer, men hvordan man håndterer nukleare affaldsprodukter er blandt spørgsmålene omkring det. Radioaktive affaldsprodukter kan omdannes til mere stabile grundstoffer, men denne proces er endnu ikke levedygtig i skala.

Ny forskning ledet af fysikere fra University of Tokyo afslører en metode til mere præcist at måle, forudsige og modellere en vigtig del af processen for at gøre atomaffald mere stabilt. Dette kan føre til forbedrede faciliteter til behandling af nukleart affald og også til nye teorier om, hvordan nogle tungere grundstoffer i universet blev til.

Selve ordet "atomkraft" kan være lidt af en trigger for nogle mennesker, forståeligt nok i Japan, hvor atombomben og Fukushima-katastrofen er nogle af de afgørende øjeblikke i dets moderne historie. Men i betragtning af den relative knaphed på passende plads i Japan til vedvarende energiformer som sol eller vind, anses atomkraft for at være en kritisk del af bestræbelserne på at dekarbonisere energisektoren.

På grund af dette arbejder forskere hårdt på at forsøge at forbedre sikkerheden, effektiviteten og andre forhold vedrørende atomkraft. Lektor Nobuaki Imai fra Center for Nuclear Study ved University of Tokyo og hans kolleger mener, at de kan bidrage til at forbedre et nøgleaspekt af atomkraft, nemlig behandlingen af ​​affald.

"I store træk fungerer atomkraft ved at koge vand ved hjælp af selvopretholdende atomnedbrydningsreaktioner. Ustabile elementer går i stykker og henfalder, frigiver varme, som koger vand, driver turbiner. Men denne proces efterlader til sidst ubrugeligt affald, der stadig er radioaktivt," sagde Imai.

"Dette affald kan forblive radioaktivt i flere hundrede tusinde år, så det er normalt begravet dybt under jorden. Men der er et voksende ønske om at udforske en anden måde, en måde hvorpå ustabilt radioaktivt affald kan gøres mere stabilt og undgå dets radioaktive henfald og gør det langt sikrere at håndtere det kaldes transmutation."

Transmutation er som det modsatte af nuklear henfald; i stedet for at et grundstof går i stykker og frigiver stråling, kan en neutron føjes til et ustabilt grundstof og ændre det til en lidt tungere version af sig selv. Afhængigt af det oprindelige stof kan denne nye form være stabil nok til at blive betragtet som sikker.

Problemet er, at selv om denne proces har været almindelig kendt i nogen tid, har det været umuligt at kvantificere tilstrækkeligt nøjagtigt til at føre ideen videre til næste fase og ideelt set producere prototyper af en ny generation af affaldshåndteringsfaciliteter.

"Idéen kom faktisk fra en overraskende kilde:kolliderende stjerner, specifikt neutronstjerner," sagde Imai. "Efter nylige observationer af gravitationsbølger, der stammer fra neutronstjernefusioner, har forskere været i stand til bedre at forstå, hvordan neutroner interagerer og deres evne til at modificere andre elementer."

"Baseret på dette brugte vi en række instrumenter til at indsnævre vores fokus på, hvordan grundstoffet selen, et almindeligt nukleart affaldsprodukt, opfører sig, når det bombarderes af neutroner. Vores teknik giver os mulighed for at forudsige, hvordan materialer absorberer neutroner og gennemgår transmutation. Denne viden kan bidrage til design af nukleart affaldstransmutationsanlæg."

Det er svært for forskere at lave den slags observationer; faktisk er de ikke i stand til direkte at observere transmutationshandlinger. Teamet kan derimod observere, hvor meget af en prøve, der ikke transmuterer, og ved at tage aflæsninger for at vide, at transmutation faktisk fandt sted, kan de estimere, om end meget nøjagtigt, hvor meget af prøven, der transmuterede.

"Vi er overbeviste om, at vores målinger nøjagtigt afspejler den reelle transmutationshastighed af ustabilt selen til en mere stabil form," sagde Imai. "Vi planlægger nu at måle dette for andre nukleare affaldsprodukter. Forhåbentlig vil denne viden kombineres med andre områder, der er nødvendige for at realisere faciliteter til behandling af nukleart affald, og vi vil muligvis se disse i de kommende årtier."

"Selvom vores mål er at forbedre nuklear sikkerhed, finder jeg det interessant, at der er en tovejs sammenhæng mellem denne forskning og astrofysik. Vi blev inspireret af kolliderende neutronstjerner, og vores forskning kan påvirke, hvordan astrofysikere leder efter tegn på nuklear syntese, skabelsen af grundstoffer i stjerner for bedre at forstå, hvordan grundstoffer, der er tungere end jern, blev lavet, inklusive dem, der er nødvendige for livet."

Værket er publiceret i tidsskriftet Physics Letters B .

Flere oplysninger: N. Imai et al, Neutronfangst-reaktionstværsnit af 79Se gennem 79Se(d,p)-reaktionen i invers kinematik, Physics Letters B (2024). DOI:10.1016/j.physletb.2024.138470

Leveret af University of Tokyo