Een typische kernreactor gebruikt slechts een klein deel van zijn splijtstofstaaf om stroom te produceren voordat de energieopwekkende reactie op natuurlijke wijze eindigt. Wat achterblijft is een assortiment van radioactieve elementen, inclusief ongebruikte brandstof, die in de Verenigde Staten als nucleair afval worden verwijderd. Hoewel bepaalde uit afval gerecycleerde elementen kunnen worden gebruikt voor het aandrijven van nieuwere generaties kernreactoren, het extraheren van overgebleven brandstof op een manier die mogelijk misbruik voorkomt, is een voortdurende uitdaging.

Nutsvoorzieningen, Technische onderzoekers van de Texas A&M University hebben een eenvoudige, proliferatiebestendige aanpak voor het scheiden van verschillende componenten van kernafval. De chemische reactie in één stap, beschreven in het februarinummer van het tijdschrift Onderzoek naar industriële en technische chemie , resulteert in de vorming van kristallen die alle overgebleven splijtstofelementen gelijkmatig verdeeld bevatten.

De onderzoekers merkten ook op dat de eenvoud van hun recyclingaanpak de vertaling van laboratoriumbank naar industrie haalbaar maakt.

"Onze recyclingstrategie kan eenvoudig worden geïntegreerd in een chemisch stroomschema voor implementatie op industriële schaal, " zei Johnathan Burns, onderzoekswetenschapper in het Nuclear Engineering and Science Center van het Texas A&M Engineering Experiment Station. "Met andere woorden, de reactie kan meerdere keren worden herhaald om de opbrengst van brandstofterugwinning te maximaliseren en radioactief nucleair afval verder te verminderen."

De basis van de energieproductie in kernreactoren is thermonucleaire splijting. Bij deze reactie een zware kern, meestal uranium, wanneer ze worden geraakt door subatomaire deeltjes die neutronen worden genoemd, wordt onstabiel en scheurt uiteen in kleinere, lichtere elementen. Echter, uranium kan neutronen absorberen en steeds zwaarder worden om elementen te vormen zoals neptunium, plutonium en americium, voordat we weer energie splitsen en vrijgeven.

Overuren, deze splijtingsreacties leiden tot een opeenhoping van lichtere elementen in de kernreactor. Maar ongeveer de helft van deze splijtingsproducten wordt als neutronengif beschouwd - ze absorberen ook neutronen, net als gebruikte kernbrandstof, waardoor er minder overblijft voor de splijtingsreactie, uiteindelijk tot stilstand van de energieproductie.

Vandaar, gebruikte splijtstofstaven bevatten splijtingsproducten, overgebleven uranium en kleine hoeveelheden plutonium, neptunium en americium. Momenteel, deze items worden in de Verenigde Staten gezamenlijk als nucleair afval beschouwd en zijn vanwege hun hoge radioactiviteit bestemd om in ondergrondse opslagplaatsen te worden opgeborgen.

"Nucleair afval is een tweeledig probleem, ' zei Burns. 'Eerst, bijna 95% van het uitgangsmateriaal van de brandstof blijft ongebruikt, en ten tweede, het afval dat we produceren bevat langlevende, radioactieve elementen. Neptunium en americium, bijvoorbeeld, kan aanhouden en tot honderdduizenden jaren uitstralen."

Wetenschappers hebben enig succes gehad met het scheiden van uranium, plutonium en neptunium. Echter, deze methoden zijn zeer complex geweest en hebben beperkt succes gehad bij het scheiden van americium. Verder, Burns zei dat het Amerikaanse ministerie van Energie vereist dat de recyclingstrategie proliferatiebestendig is, wat betekent dat plutonium, die in wapens kunnen worden gebruikt, mogen tijdens het recyclingproces nooit worden gescheiden van andere splijtstofelementen.

Om tegemoet te komen aan de onvervulde behoeften op het gebied van recycling van nucleair afval, de onderzoekers onderzochten of er een eenvoudige chemische reactie was die alle gewenste chemische elementen van de gebruikte nucleaire brandstof kon scheiden.

Uit eerdere onderzoeken, wisten de onderzoekers dat bij kamertemperatuur, uranium vormt kristallen in sterk salpeterzuur. Binnen deze kristallen, uraniumatomen zijn gerangschikt in een uniek profiel - een centraal uraniumatoom is aan weerszijden ingeklemd tussen twee zuurstofatomen door zes elektronen te delen met elk zuurstofatoom.

"We realiseerden ons meteen dat deze kristalstructuur een manier zou kunnen zijn om plutonium te scheiden, neptunium en americium aangezien al deze zware elementen tot dezelfde familie behoren als uranium, ' zei Brands.

De onderzoekers veronderstelden dat als plutonium, neptunium en americium namen een vergelijkbare bindingsstructuur aan met zuurstof als uranium, dan zouden deze elementen zichzelf integreren in het uraniumkristal.

Voor hun experimenten, ze maakten een surrogaatoplossing van uranium, plutonium, neptunium en americium in sterk geconcentreerd salpeterzuur bij 60-90 graden Celsius om het oplossen van een echte brandstofstaaf in het sterke zuur na te bootsen. Ze ontdekten toen de oplossing op kamertemperatuur kwam, als voorspeld, dat uranium, neptunium, plutonium en americium gescheiden van de oplossing samen, die zich gelijkmatig in de kristallen verdelen.

Burns merkte op dat dit vereenvoudigde, het eenstapsproces is ook bestand tegen proliferatie, aangezien plutonium niet wordt geïsoleerd, maar wordt opgenomen in de uraniumkristallen.

"Het idee is dat de opgewerkte brandstof die wordt gegenereerd door onze voorgeschreven chemische reactie, kan worden gebruikt in toekomstige generaties reactoren, die niet alleen uranium zou verbranden zoals de meeste huidige reactoren, maar ook andere zware elementen zoals neptunium, plutonium en americium, Burns zei. "Naast het aanpakken van het brandstofrecyclingprobleem en het verminderen van het proliferatierisico, onze strategie zal kernafval drastisch verminderen tot alleen de splijtingsproducten waarvan de radioactiviteit honderden in plaats van honderdduizenden jaren is."