Переработка отработанного ядерного топлива может стать более безопасной и эффективной в будущем после того, как исследователи нашли способ изменить структуру молекул для удаления радиоактивных материалов.
Исследование опубликовано в последнем выпуске влиятельного журнала Chemistry - A European Journal (7 января 2020 г.) и описывается редакторами журнала как имеющее большое значение.
Операция переработки
Ядерная энергия предлагает чистый, низкоуглеродный источник электроэнергии и становится все более важной частью энергоснабжения во многих странах мира. Около 10% электроэнергии в мире производится атомной энергетикой. Однако атомным электростанциям необходимо топливо для производства электроэнергии, и это топливо со временем становится менее эффективным, и его необходимо заменить примерно через пять лет.
Отработавшее топливо по-прежнему высокорадиоактивно и выделяет большое количество тепла. Перед переработкой или утилизацией его необходимо погрузить в специальные пруды-охладители на глубину более 40 футов. Вода обеспечивает защиту от радиоактивности и постоянно охлаждается для отвода сильного тепла от топливных стержней.
Для того, чтобы топливные стержни остыли до такой степени, что их можно переработать, чтобы удалить элементы урана и плутония, которые затем можно повторно использовать в качестве топлива, требуется больше года.
Однако элементы америций, кюрий и нептуний, которые называются младшими актинидами, все еще присутствуют и производят большую часть тепла и радиоактивности оставшегося отработавшего топлива. Кроме того, эти элементы остаются высокорадиоактивными в течение примерно 9 000 лет, что делает долгосрочное хранение и захоронение отработавшего топлива чрезвычайно сложным для безопасного управления.
Если бы эти вредные радиоактивные элементы можно было удалить, это значительно повысило бы безопасность и устойчивость ядерной энергетики, поскольку оставшееся отработавшее топливо оставалось бы радиоактивным примерно 300 лет, что является гораздо более управляемым сроком.
Модификация молекул
Молекулы, называемые триазинами, способны удалять (или извлекать) эти вредные элементы из отработавшего ядерного топлива высокоселективным образом и известны уже некоторое время. Исследователи стремились выяснить, как модификация определенной части этих молекул может повлиять на их способность связывать и извлекать эти второстепенные актиниды на молекулярном уровне. Полученные знания и идеи могут быть использованы для разработки более совершенных и эффективных молекул для переработки отработавшего ядерного топлива в будущем.
Исследователи изменили размер алифатических колец в установленных эталонных молекулах с 6-членных колец на 5-членные. Они обнаружили, что это небольшое, но незаметное изменение оказало неожиданное влияние на то, насколько эффективно эти молекулы связывают и извлекают второстепенные актиниды по сравнению с эталонными молекулами. Точные причины этих эффектов затем были определены на молекулярном уровне с использованием ряда экспериментальных методов.
Доктор Фрэнк Льюис, старший преподаватель органической химии на факультете прикладных наук Университета Нортумбрии, сказал: «Результаты имеют большое значение, поскольку они могут позволить создавать лучшие молекулы более рациональным способом, а не просто методом проб и ошибок..
Знания и идеи, которые мы получили, настроив циклическую алифатическую часть этих молекул, могут проложить путь к рациональному дизайну улучшенных актинидселективных лигандов для переработки отработавшего ядерного топлива. Модификация этих молекул различными способами для улучшения их Экстракционные свойства могут сделать будущую переработку более эффективной и могут иметь важное значение, если они будут использоваться в промышленности в будущем.
"Мы считаем, что эти результаты имеют большое значение для области ядерной энергетики, и это было подтверждено комиссией, которая рассмотрела документ перед публикацией."
Значительные результаты
Редакция журнала Chemistry A European Journal написала доктору Льюису и его коллегам: «Согласно оценке рецензентов, результаты, изложенные в этой статье, имеют большое значение. Менее 20% рукописей получают такую оценку. положительный отзыв». Статья также была выбрана редакторами как «Горячая статья» и отмечена графическим оформлением Frontispiece.