回收用过的核燃料的一步策略

典型的核反应堆仅使用其燃料棒的一小部分来发电，然后发电反应自然终止。剩下的是各种放射性元素，包括未使用的燃料，在美国作为核废料处理。尽管从废物中回收的某些元素可用于为新一代核反应堆提供动力，但以防止可能滥用的方式提取剩余燃料是一项持续的挑战。

现在，德克萨斯 A&M 大学的工程研究人员设计了一种简单的、抗扩散的方法来分离核废料的不同成分。工业与工程化学研究杂志 2 月刊中描述的一步化学反应导致形成含有均匀分布的所有剩余核燃料元素的晶体。

研究人员还指出，他们回收方法的简单性使得从实验室工作台到工业的转化是可行的。

德克萨斯 A&M 工程实验站核工程与科学中心的研究科学家 Johnathan Burns 说：“我们的回收策略可以很容易地整合到工业规模实施的化学流程中。”“换句话说，该反应可以重复多次，以最大限度地提高燃料回收率，并进一步减少放射性核废料。”

核反应堆产生能量的基础是热核裂变。在这个反应中，一个重核，通常是铀，当被称为中子的亚原子粒子撞击时，变得不稳定并分裂成更小、更轻的元素。然而，铀可以吸收中子并逐渐变重，形成镎、钚和镅等元素，然后再次分裂并释放能量。

随着时间的推移，这些裂变反应会导致较轻的元素在核反应堆中堆积。但是这些裂变产物中大约有一半被认为是中子毒物——它们也像用过的核燃料一样吸收中子，为裂变反应留下的更少，最终导致能源生产停止。

因此，用过的燃料棒含有裂变产物、剩余的铀和少量的钚、镎和镅。目前，这些物品在美国被统称为核废料，由于它们的高放射性，注定要被存放在地下储存库中。

“核废料是一个两方面的问题，”伯恩斯说。“首先，几乎 95% 的燃料起始材料未被使用，其次，我们产生的废物含有长寿命的放射性元素。例如，镎和镅可以持续并辐射多达数十万年。”

科学家们在分离铀、钚和镎方面取得了一些成功。然而，这些方法非常复杂，并且在分离镅方面的成功有限。此外，伯恩斯表示，美国能源部要求回收战略具有抗扩散性，这意味着可用于武器的钚在回收过程中绝不能与其他核燃料元素分离。

为了解决未满足的核废料回收需求，研究人员调查了是否有一种简单的化学反应可以将所有理想的用过的核燃料化学元素分离在一起。

从早期的研究中，研究人员知道，在室温下，铀会在强硝酸中形成晶体。在这些晶体中，铀原子以独特的方式排列——一个中心铀原子夹在两侧的两个氧原子之间，每个氧原子共享六个电子。

“我们立即意识到这种晶体结构可能是一种分离钚、镎和镅的方法，因为所有这些重元素都与铀属于同一家族，”伯恩斯说。

研究人员假设，如果钚、镎和镅与氧呈现出与铀相似的键合结构，那么这些元素就会将自身整合到铀晶体中。

在他们的实验中，他们在 60-90 摄氏度的高浓度硝酸中制备了铀、钚、镎和镅的替代溶液，以模拟真实燃料棒在强酸中的溶解。正如预测的那样，他们发现当溶液达到室温时，铀、镎、钚和镅一起从溶液中分离出来，均匀地分布在晶体中。

伯恩斯指出，这种简化的单步过程也具有抗扩散性，因为钚不是孤立的，而是结合在铀晶体中的。

“我们的想法是，我们规定的化学反应产生的再加工燃料可用于未来几代反应堆，这些反应堆不仅可以像大多数当今的反应堆一样燃烧铀，还可以燃烧其他重元素，如镎、钚和镅，”伯恩斯说。“除了解决燃料回收问题和降低扩散风险外，我们的战略还将大幅减少核废料，使其仅产生放射性数百年而不是数十万年的裂变产物。”