В поисках лучшего способа улавливания радиоактивных йодидов в отработавшем топливе ядерного реактора ученые из Рутгерского университета в Нью-Брансуике разработали чрезвычайно эффективную «молекулярную ловушку», которую можно перерабатывать и использовать повторно.
Ловушка похожа на крошечную пористую супергубку. Площадь внутренней поверхности всего в один грамм этого материала может растянуться, чтобы покрыть пять баскетбольных площадок размером 94 на 50 футов, или 23 500 квадратных футов. И, попав внутрь, радиоактивные йодиды останутся там на века.
«Этот тип материала обладает огромным потенциалом из-за его высокой пористости», - сказал Цзин Ли, выдающийся профессор кафедры химии и химической биологии Университета Рутгерса в Нью-Брансуике. «У него гораздо больше места, чем у губки, и он может удерживать много вещей».
Ли является соответствующим автором исследования молекулярных ловушек для переработки ядерного топлива, которое было опубликовано в Nature Communications. Первым автором является Байян Ли, бывший научный сотрудник группы Ли, а среди других соавторов Рутгерса - докторанты Хао Ван и Бенджамин Дж. Дейберт..
Переработка означает разделение отработавшего топлива ядерного реактора на материалы, которые могут быть переработаны для использования в новом ядерном топливе или выброшены в качестве отходов, согласно данным Комиссии по ядерному регулированию США. В настоящее время в США нет коммерческих предприятий по переработке, но коммерческие предприятия работают в других странах.
При переработке отработавшего топлива радиоактивный молекулярный йод и йодорганические газы, представляющие опасность для окружающей среды и вызывающие рак, должны быть уловлены и изолированы. Согласно исследованию Рутгерса, долгоживущие газы трудно уловить, и они могут попасть в окружающую среду.
Твердые адсорбенты, такие как диоксид кремния с добавлением серебра, оксид алюминия и цеолиты, могут улавливать йодиды, но их низкая поглощающая способность и плохая перерабатываемость делают их неэффективными и дорогостоящими, по словам Ли, который работает в Школе искусств и наук.
Итак, Рутгерс и другие исследователи разработали «молекулярную ловушку», состоящую из высокопористого металлоорганического каркаса. Его производительность превышает стандарт, установленный правилами атомной промышленности, которые требуют, чтобы заводы по переработке отходов удаляли более 99,9% радиоактивных йодидов из отработавших ядерных топливных стержней.
Он также намного превосходит все современные промышленные материалы в адсорбции или связывании радиоактивных органических йодидов. Например, его способность адсорбировать йодистый метил при температуре 302 градуса по Фаренгейту превышает способность эталонного промышленного продукта более чем на 340 процентов.
Еще одно преимущество молекулярной ловушки Рутгерса заключается в том, что захваченный йодистый метил можно удалить из металлоорганических каркасов, что позволяет их перерабатывать и повторно использовать. Это невозможно с современными промышленными продуктами, из которых адсорбент должен быть выделен вместе с захваченными радиоактивными йодами.
Металлоорганический каркас также дешевле, чем существующие продукты, поскольку в нем не используется серебро или другие драгоценные металлы, и он очень прочен, способен выдерживать суровые условия обработки, такие как высокие температуры, высокая кислотность и высокая влажность, - сказал Ли.
"У нас очень хорошее начало, и мы хотели бы внести улучшения", - сказал Ли. «В конце концов, мы надеемся, что его можно будет коммерциализировать».