Un reactor nuclear típico usa solo una pequeña fracción de su barra de combustible para producir energía antes de que la reacción de generación de energía termine naturalmente. Lo que queda es una variedad de elementos radiactivos, incluido el combustible no utilizado, que se eliminan como desechos nucleares enEstados Unidos. Aunque ciertos elementos reciclados a partir de los desechos se pueden utilizar para alimentar las nuevas generaciones de reactores nucleares, extraer el combustible sobrante de una manera que evite el posible mal uso es un desafío continuo.
Ahora, los investigadores de ingeniería de la Universidad de Texas A&M han ideado un enfoque simple y resistente a la proliferación para separar los diferentes componentes de los desechos nucleares. La reacción química de un solo paso, descrita en la edición de febrero de la revista Investigación de Química Industrial e Ingeniería , da como resultado la formación de cristales que contienen todos los elementos sobrantes de combustible nuclear distribuidos uniformemente.
Los investigadores también notaron que la simplicidad de su enfoque de reciclaje hace posible la traducción del banco de laboratorio a la industria.
"Nuestra estrategia de reciclaje se puede integrar fácilmente en un diagrama de flujo químico para la implementación a escala industrial", dijo Johnathan Burns, científico investigador del Centro de Ciencia e Ingeniería Nuclear de la Estación Experimental de Ingeniería de Texas A&M. "En otras palabras, la reacción puede serrepetido varias veces para maximizar el rendimiento de recuperación de combustible y reducir aún más los desechos nucleares radiactivos ".
La base de la producción de energía en los reactores nucleares es la fisión termonuclear. En esta reacción, un núcleo pesado, generalmente uranio, cuando es golpeado por partículas subatómicas llamadas neutrones, se vuelve inestable y se desgarra en elementos más pequeños y livianos. Sin embargo, el uranio puede absorber neutrones.y se vuelven progresivamente más pesados para formar elementos como el neptunio, el plutonio y el americio, antes de volver a dividir y liberar energía.
Con el tiempo, estas reacciones de fisión conducen a una acumulación de elementos más ligeros en el reactor nuclear. Pero aproximadamente la mitad de estos productos de fisión se consideran venenos de neutrones; también absorben neutrones al igual que el combustible nuclear usado, dejando menos para la reacción de fisión,eventualmente deteniendo la producción de energía.
Por lo tanto, las barras de combustible usadas contienen productos de fisión, restos de uranio y pequeñas cantidades de plutonio, neptunio y americio. Actualmente, estos elementos se consideran colectivamente desechos nucleares en los Estados Unidos y están destinados a ser almacenados en depósitos subterráneos debido a su altaradioactividad.
"Los desechos nucleares son un problema doble", dijo Burns. "Primero, casi el 95% del material de partida del combustible no se usa, y segundo, los desechos que producimos contienen elementos radiactivos de larga duración. Neptunio yel americio, por ejemplo, puede persistir e irradiarse hasta por cientos de miles de años ".
Los científicos han tenido cierto éxito con la separación de uranio, plutonio y neptunio. Sin embargo, estos métodos han sido muy complejos y han tenido un éxito limitado en la separación del americio. Además, Burns dijo que el Departamento de Energía de los Estados Unidos requiere que la estrategia de reciclaje sea la proliferaciónresistente, lo que significa que el plutonio, que se puede usar en armas, nunca debe separarse de otros elementos de combustible nuclear durante el proceso de reciclaje.
Para abordar las necesidades no satisfechas del reciclaje de desechos nucleares, los investigadores investigaron si había una reacción química simple que pudiera separar todos los elementos químicos deseados del combustible nuclear usado juntos.
De estudios anteriores, los investigadores sabían que a temperatura ambiente, el uranio forma cristales en ácido nítrico fuerte. Dentro de estos cristales, los átomos de uranio están dispuestos en un perfil único: un átomo de uranio central se intercala entre dos átomos de oxígeno a cada ladocompartiendo seis electrones con cada átomo de oxígeno.
"Inmediatamente nos dimos cuenta de que esta estructura cristalina podría ser una forma de separar el plutonio, el neptunio y el americio, ya que todos estos elementos pesados pertenecen a la misma familia que el uranio", dijo Burns.
Los investigadores plantearon la hipótesis de que si el plutonio, el neptunio y el americio asumieran una estructura de unión similar con el oxígeno que el uranio, entonces estos elementos se integrarían en el cristal de uranio.
Para sus experimentos, prepararon una solución sustituta de uranio, plutonio, neptunio y americio en ácido nítrico altamente concentrado a 60-90 grados Celsius para imitar la disolución de una barra de combustible real en el ácido fuerte. Encontraron cuando la solución llegó a la habitacióntemperatura, como se predijo, que el uranio, el neptunio, el plutonio y el americio se separaron de la solución, distribuyéndose uniformemente dentro de los cristales.
Burns notó que este proceso simplificado de un solo paso también es resistente a la proliferación ya que el plutonio no está aislado sino incorporado dentro de los cristales de uranio.
"La idea es que el combustible reprocesado generado a partir de nuestra reacción química prescrita se pueda usar en futuras generaciones de reactores, que no solo quemarían uranio como la mayoría de los reactores actuales, sino también otros elementos pesados como el neptunio, el plutonio y el americio,"Quema Burns." Además de abordar el problema del reciclaje de combustible y reducir el riesgo de proliferación, nuestra estrategia reducirá drásticamente los desechos nucleares a los productos de fisión cuya radiactividad es de cientos en lugar de cientos de miles de años ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas A&M . Original escrito por Vandana Suresh. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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