Undersøgelse afslører et-trins strategi for genanvendelse af brugt nukleart brændsel

En typisk atomreaktor bruger kun en lille del af sin brændselsstang til at producere strøm, før den energigenererende reaktion naturligt afsluttes. Det, der er tilbage, er et udvalg af radioaktive grundstoffer, inklusive ubrugt brændstof, der bortskaffes som atomaffald i USA. Selvom visse elementer genanvendt fra affald kan bruges til at drive nyere generationer af atomreaktorer, udvinding af restbrændstof på en måde, der forhindrer muligt misbrug, er en vedvarende udfordring.

Nu, Texas A&M University ingeniørforskere har udtænkt en enkel, spredningsbestandig tilgang til adskillelse af forskellige komponenter i nukleart affald. Den et-trins kemiske reaktion, beskrevet i februarnummeret af tidsskriftet Industriel og teknisk kemiforskning , resulterer i dannelsen af ​​krystaller indeholdende alle de resterende nukleare brændselselementer fordelt ensartet.

Forskerne bemærkede også, at enkelheden i deres genbrugstilgang gør oversættelsen fra laboratoriebænk til industri mulig.

"Vores genbrugsstrategi kan nemt integreres i et kemikalieflowskema til implementering i industriel skala, " sagde Johnathan Burns, forsker i Texas A&M Engineering Experiment Station's Nuclear Engineering and Science Center. "Med andre ord, reaktionen kan gentages flere gange for at maksimere brændstofgenvindingsudbyttet og yderligere reducere radioaktivt nukleart affald."

Grundlaget for energiproduktion i atomreaktorer er termonuklear fission. I denne reaktion, en tung kerne, normalt uran, når de bliver ramt af subatomære partikler kaldet neutroner, bliver ustabil og rives fra hinanden i mindre, lettere elementer. Imidlertid, uran kan absorbere neutroner og bliver gradvist tungere til at danne elementer som neptunium, plutonium og americium, før den endnu engang splittes og frigiver energi.

Over tid, disse fissionsreaktioner fører til en opbygning af lettere grundstoffer i atomreaktoren. Men omkring halvdelen af ​​disse fissionsprodukter anses for neutrongifte - de absorberer også neutroner ligesom brugt nukleart brændsel, efterlader færre til fissionsreaktionen, til sidst at bringe energiproduktionen i stå.

Derfor, brugte brændselsstave indeholder fissionsprodukter, rester af uran og små mængder plutonium, neptunium og americium. I øjeblikket, disse genstande betragtes samlet set som atomaffald i USA og er bestemt til at blive stuvet væk i underjordiske depoter på grund af deres høje radioaktivitet.

"Atomaffald er et tostrenget problem, " sagde Burns. "Først, næsten 95 % af brændstoffets udgangsmateriale efterlades ubrugt, og for det andet, det affald, vi producerer, indeholder langlivede, radioaktive grundstoffer. Neptunium og americium, for eksempel, kan bestå og stråle i op til hundredtusinder af år."

Forskere har haft en vis succes med at adskille uran, plutonium og neptunium. Imidlertid, disse metoder har været meget komplekse og har haft begrænset succes med at adskille americium. Desuden, Burns sagde, at det amerikanske energiministerium kræver, at genbrugsstrategien er spredningsbestandig, betyder, at plutonium, som kan bruges i våben, må aldrig adskilles fra andre nukleare brændselselementer under genanvendelsesprocessen.

For at imødekomme de udækkede behov for genanvendelse af nukleart affald, forskerne undersøgte, om der var en simpel kemisk reaktion, der kunne adskille alle de ønskværdige brugte kemiske grundstoffer i nukleart brændsel.

Fra tidligere undersøgelser, forskerne vidste, at ved stuetemperatur, uran danner krystaller i stærk salpetersyre. Inden i disse krystaller, uranatomer er arrangeret i en unik profil - et centralt uranatom er klemt mellem to oxygenatomer på hver side ved at dele seks elektroner med hvert oxygenatom.

"Vi indså straks, at denne krystalstruktur kunne være en måde at udskille plutonium på, neptunium og americium, da alle disse tunge grundstoffer tilhører samme familie som uran, " sagde Burns.

Forskerne antog, at hvis plutonium, neptunium og americium antog en lignende bindingsstruktur med oxygen som uran, så ville disse grundstoffer integrere sig i urankrystallen.

For deres eksperimenter, de forberedte en surrogatopløsning af uran, plutonium, neptunium og americium i højkoncentreret salpetersyre ved 60-90 grader Celsius for at efterligne opløsning af en rigtig brændstofstav i den stærke syre. De fandt, når opløsningen nåede stuetemperatur, som forudsagt, det uran, neptunium, plutonium og americium adskilt fra opløsningen sammen, fordeler sig ensartet i krystallerne.

Burns bemærkede, at dette forenklede, enkelttrinsproces er også spredningsbestandig, da plutonium ikke er isoleret, men inkorporeret i urankrystallerne.

"Idéen er, at det oparbejdede brændsel, der genereres fra vores foreskrevne kemiske reaktion, kan bruges i fremtidige generationer af reaktorer, som ikke kun ville brænde uran som de fleste nuværende reaktorer, men også andre tunge grundstoffer såsom neptunium, plutonium og americium, " sagde Burns. "Ud over at løse problemet med genbrug af brændstof og reducere spredningsrisikoen, vores strategi vil drastisk reducere nukleart affald til kun de fissionsprodukter, hvis radioaktivitet er hundreder snarere end hundredtusinder af år."