Ny tilgang til gasfangst fremmer styring af atombrændstof

Atomenergi leverer omkring 20 procent af den amerikanske elforsyning, og over halvdelen af ​​sin kulstoffrie produktionskapacitet.

Driften af ​​kommercielle atomreaktorer producerer små mængder brugt brændstof, som i nogle lande genbehandles til udvinding af materialer, der kan genbruges som brændstof i andre reaktorer. Nøglen til forbedringen af ​​økonomien i denne brændstofcyklus er indfangning af gasformige radioaktive fissionsprodukter som f.eks ⁸⁵ krypton.

Derfor, udvikle effektiv teknologi til at fange og sikre ⁸⁵ krypton fra blandingen af ​​spildegasser ville repræsentere en væsentlig forbedring i forvaltningen af ​​brugte atombrændstoffer. En lovende vej er adsorption af gasser til en avanceret type blødt krystallinsk materiale, organiske metalrammer (MOF'er), som har ekstremt høj porøsitet og enormt indre overfladeareal og kan inkorporere en lang række organiske og uorganiske komponenter.

Nyligt offentliggjort forskning fra en tværfaglig gruppe, der omfatter medlemmer af MIT's Department of Nuclear Science and Engineering (NSE) er et af de første skridt i retning af praktisk anvendelse af MOF'er til forvaltning af nukleart brændstof, med nye fund om effekt og strålingsresistens, og et indledende koncept for implementering.

En grundlæggende udfordring er, at blandingen af ​​gasser, der produceres under brændstofoparbejdning, er rig på ilt og nitrogen, og eksisterende metoder har en tendens til at indsamle dem samt de del-pr. million mængder krypton, der repræsenterer den højeste risiko. Dette reducerer renheden af ​​det indsamlede ⁸⁵ Kr og øger affaldsmængden. I øvrigt, eksisterende krypton -ekstraktionsmetoder er afhængige af dyre og komplekse kryogene processer.

Gruppens undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , evalueret en række ultra-mikroporøse MOF'er med forskellige metalcentre, herunder zink, kobolt, nikkel, og jern, og fandt ud af, at en kobberholdig krystal, SIFSIX-Cu, viste godt løfte.

For at udnytte sin gunstige kombination af strålingsstabilitet og selektiv adsorption, samtidig med at mængden af ​​affald minimeres, teamet foreslog en to-trins behandlingsproces, hvor en indledende seng af materialet bruges til at adsorbere xenon og kuldioxid fra spildegasblandingen, hvorefter gassen overføres til et andet leje, der selektivt adsorberer krypton, men ikke nitrogen eller oxygen.

"Hvis vi en dag vil behandle de brugte brændstoffer, som i USA i øjeblikket er opbevaret i pools og tørfade på atomkraftværksstederne, vi er nødt til at håndtere de flygtige radionuklider. "forklarer Ju Li, MIT's Battelle Energy Alliance professor i nuklear videnskab og teknik og professor i materialevidenskab og teknik. "Physisorption af krypton og xenon er en god tilgang, og vi var meget glade for at samarbejde med dette store team om MOF -tilgangen. "

MOF'er er blevet set som en mulig løsning til applikationer på mange områder, men denne forskning markerer den første systematiske undersøgelse af deres anvendelighed i nuklear sektoren, og effektiviteten af ​​forskellige metalcentre om MOF -strålingsstabilitet, bemærker Sameh K. Elsaidi, en forsker ved U.S. Department of Energy's National Energy and Technology Laboratory og papirets hovedforfatter.

"Der er allerede over 60, 000 forskellige MOF'er, og der udvikles flere hver dag, så der er meget at vælge imellem, "siger Elsaidi." Valget af en til ⁸⁵ Kr -adskillelse under oparbejdning er baseret på flere væsentlige kriterier. Under vores lange søgen efter porøse materialer, der kan opfylde disse kriterier, fandt vi ud af, at en klasse af mikroporøse MOF'er kaldet SIFSIX-3-M effektivt kan reducere mængden af ​​atomaffald ved at adskille ⁸⁵ Kr i mere ren form fra de andre ikke -radioaktive gasser. Imidlertid, for at være nyttig til praktisk adskillelse af ⁸⁵ Kr, disse materialer skal være modstandsdygtige over for stråling under oparbejdningsforhold.

"Dette er et første blik på kandidater, der kan opfylde kriterierne. Jeg føler mig meget heldig at arbejde med Ju og [MIT NSE postdoc Ahmed Sami Helal], da vi begynder at evaluere, om disse materialer kan bruges i den virkelige verden. Dette projekt var et meget godt eksempel på, hvordan samarbejde kan føre til bedre grundlæggende forståelse, og der er meget ned ad vejen, vi kan gøre sammen, "tilføjer Elsaidi.

Helal bemærker, "Undersøgelse af effekten af ​​højenergi-ioniserende stråling, herunder β-stråler og γ-stråler, om MOF'ernes stabilitet er en meget vigtig faktor for at afgøre, om MOF'erne kan bruges til opsamling af fissionsgasser fra brugt brændstof. Dette arbejde er det første til at undersøge den radiolytiske stabilitet af MOF'er ved strålingsdoser, der er relevante for praktisk Xe/Kr -adskillelse på brændstofoparbejdningsanlæg. "

At udvikle en praktisk adsorptionsproces er en kompleks opgave, requiring capabilities from multiple disciplines including chemical engineering, materialevidenskab, and nuclear engineering. The research leveraged several specialized Institute resources, including the MIT gamma irradiation facility (managed by the MIT Radiation Protection Program) and the High Voltage Research Laboratory, which was used for beta irradiation measurements with assistance from Mitchell Galanek of the MIT Office of Environment, Health and Safety.

Those efforts, in conjunction with X-ray diffraction studies and electronic structure modeling, "were fascinating and helped us learn a lot about MOFs and build our understanding of non-neutronic radiation resistance of this new class of materials, " says Li. "That could be useful in other applications in the future, " including detectors.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.