Переработка отработавшего ядерного топлива может стать более безопасной и эффективной в будущем после того, как исследователи найдут способ изменить структуру молекул для удаления радиоактивных материалов. Исследование опубликовано в недавнем издании Chemistry - A European Journal.
Ядерная энергетика является чистым, низкоуглеродным источником электроэнергии и становится все более важной частью энергоснабжения во многих странах мира. Около 10% всей электроэнергии в мире производится на АЭС. Однако для производства электроэнергии атомным электростанциям необходимо топливо, которое со временем становится менее эффективным и нуждается в замене примерно через пять лет.
Отработавшее топливо по-прежнему является высокорадиоактивным и выделяет интенсивное количество тепла. Перед переработкой или утилизацией он должен быть погружен в специальные пруды-охладители под более чем 10 метрами воды. Вода обеспечивает экранирование от радиоактивности и непрерывно охлаждается для отвода интенсивного тепла от топливных стержней. Топливным стержням требуется больше года для охлаждения до такой степени, что они могут быть переработаны для удаления урановых и плутониевых элементов, которые затем могут быть повторно использованы в качестве топлива.
Однако элементы америций, кюрий и нептуний, которые называются второстепенными актиноидами, все еще присутствуют и производят большую часть тепла и радиоактивности оставшегося отработавшего топлива. Кроме того, эти элементы остаются высокоактивными в течение приблизительно 9 000 лет, что делает длительное хранение и утилизацию отработавшего топлива чрезвычайно сложным для безопасного обращения.
Если бы эти вредные радиоактивные элементы могли быть удалены, это значительно повысило бы безопасность и устойчивость ядерной энергии, поскольку оставшееся отработавшее топливо оставалось бы радиоактивным в течение приблизительно 300 лет, что является гораздо более приемлемым периодом времени.
Молекулы, называемые триазинами, способны удалять (или извлекать) эти вредные элементы из отработавшего ядерного топлива весьма избирательным способом, и о них известно уже некоторое время. Целью исследователей было 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 можно было бы использовать 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 тонкое изменение оказало неожиданное влияние на то, насколько эффективно эти молекулы связывают и извлекают второстепенные актиниды по сравнению с эталонными молекулами. Точные причины этих эффектов были затем определены на молекулярном уровне с помощью ряда экспериментальных методов. Доктор Фрэнк Льюис (Frank Lewis), старший преподаватель органической химии на кафедре прикладных наук Университета Нортумбрии:
"Полученные результаты имеют большое значение, так как они могут позволить разработать более совершенные молекулы более рациональным способом, а не просто методом проб и ошибок". Знания и идеи, которые мы получили в результате настройки циклической алифатической части этих молекул, могут проложить путь к рациональному проектированию усовершенствованных актинидно-селективных лигандов для переработки отработавшего ядерного топлива". Модифицирование этих молекул различными способами для улучшения их экстракционных свойств может сделать переработку в будущем более эффективной и может быть существенной, если в будущем они будут использоваться промышленным способом. "Мы считаем, что эти результаты имеют большое значение для области ядерной энергетики, и это было подтверждено группой экспертов, которая рассмотрела доклад до его публикации".