Molekyleændring kan forbedre oparbejdning af brugt nukleart brændstof

Oparbejdningen af ​​brugt nukleart brændstof kan blive mere sikker og mere effektiv i fremtiden, efter at forskere fandt en måde at ændre strukturen af ​​molekyler til fjernelse af radioaktive materialer.

Forskningen er offentliggjort i en nylig udgave af det indflydelsesrige Chemistry — A European Journal og beskrives af redaktørerne af tidsskriftet som værende af stor betydning.

Oparbejdningsoperationen

Atomenergi tilbyder en ren, lavemissionskilde til elektricitet og bliver en voksende del af energiforsyningen i mange lande verden over. Omkring 10% af verdens elektricitet produceres af atomkraft. Imidlertid, atomkraftværker har brug for brændstof til at producere elektricitet, og dette brændstof bliver mindre effektivt med tiden, og skal udskiftes efter cirka fem år.

Brugt brændstof er stadig meget radioaktivt og genererer intense mængder varme. Inden den genbehandles eller bortskaffes, den skal nedsænkes i specialkøldamme under mere end 40 fod vand. Vandet beskytter mod radioaktivitet og afkøles kontinuerligt for at fjerne den intense varme fra brændstofstængerne.

Det tager mere end et år for brændstofstængerne at afkøle til et punkt, hvor de kan genbehandles for at fjerne uran- og plutoniumelementerne, som derefter kan genbruges som brændstof.

Imidlertid, elementerne americium, curium og neptunium, som kaldes de mindre aktinider, er stadig til stede og producerer det meste af varmen og radioaktiviteten af ​​det resterende brugte brændstof. Ud over, disse elementer forbliver meget radioaktive i cirka 9, 000 år, hvilket gør langsigtet opbevaring og bortskaffelse af brugt brændstof ekstremt svært at håndtere sikkert.

Hvis disse skadelige radioaktive elementer kunne fjernes, ville det væsentligt forbedre sikkerheden og bæredygtigheden af ​​atomkraft, fordi det resterende brugte brændstof ville forblive radioaktivt i cirka 300 år, hvilket er en meget mere overskuelig tidsramme.

Ændring af molekylerne

Molekyler kaldet triaziner er i stand til at fjerne eller ekstrahere disse skadelige elementer fra brugt atombrændstof på en meget selektiv måde, og har været kendt i nogen tid. Forskerne havde til formål at finde ud af, hvordan modificering af en bestemt del af disse molekyler kunne påvirke deres evne til at binde og ekstrahere disse mindre aktinider på molekylært niveau. Den opnåede viden og indsigt kunne udnyttes til at designe bedre, mere effektive molekyler til oparbejdning af brugt nukleart brændstof i fremtiden.

Forskerne ændrede størrelsen på de alifatiske ringe i de etablerede benchmarkmolekyler fra 6-ledede ringe til 5-ledede ringe. De fandt ud af, at denne lille, men subtile ændring havde uventede virkninger på, hvor effektivt disse molekyler binder og ekstraherer de mindre aktinider sammenlignet med benchmarkmolekylerne. De nøjagtige årsager til disse virkninger blev derefter bestemt på molekylært niveau ved hjælp af en række eksperimentelle teknikker.

Dr. Frank Lewis, universitetslektor i organisk kemi ved Northumbria University's Department of Applied Sciences sagde:"Resultaterne er betydningsfulde, da de kunne tillade bedre molekyler at blive designet på en mere rationel måde, frem for blot ved forsøg og fejl.

"Den viden og indsigt, vi har opnået ved at indstille den cykliske alifatiske del af disse molekyler, kunne bane vejen for et rationelt design af forbedrede aktinidselektive ligander til oparbejdning af brugte nukleare brændstoffer. Modificering af disse molekyler på forskellige måder for at forbedre deres ekstraktionsegenskaber kan gøre fremtiden oparbejdning mere effektiv og kan være afgørende, hvis de fremover skal bruges industrielt.

"Vi mener, at disse resultater er af stor betydning for kerneenergiområdet, og dette er blevet bekræftet af panelet, der gennemgik papiret før offentliggørelsen. "