Kernenergie levert ongeveer 20 procent van de Amerikaanse elektriciteitsvoorziening, en meer dan de helft van zijn koolstofvrije opwekkingscapaciteit.

Operaties van commerciële kernreactoren produceren kleine hoeveelheden verbruikte splijtstof, die in sommige landen wordt opgewerkt om materialen te extraheren die in andere reactoren als brandstof kunnen worden hergebruikt. De sleutel tot de verbetering van de economie van deze splijtstofcyclus is het opvangen van gasvormige radioactieve splijtingsproducten zoals ⁸⁵ krypton.

Daarom, het ontwikkelen van efficiënte technologie om vast te leggen en te beveiligen ⁸⁵ krypton uit het mengsel van uitstromende gassen zou een aanzienlijke verbetering betekenen in het beheer van gebruikte splijtstoffen. Een veelbelovende weg is de adsorptie van gassen in een geavanceerd type zacht kristallijn materiaal, metalen organische raamwerken (MOF's), die een extreem hoge porositeit en een enorm inwendig oppervlak hebben en een breed scala aan organische en anorganische componenten kunnen bevatten.

Recent gepubliceerd onderzoek door een multidisciplinaire groep met leden van het Department of Nuclear Science and Engineering (NSE) van het MIT, is een van de eerste stappen in de richting van praktische toepassing van MOF's voor het beheer van nucleaire brandstof, met nieuwe bevindingen over werkzaamheid en stralingsresistentie, en een eerste concept voor implementatie.

Een fundamentele uitdaging is dat het mengsel van gassen dat tijdens de opwerking van brandstof wordt geproduceerd, rijk is aan zuurstof en stikstof, en bestaande methoden hebben de neiging om ze te verzamelen, evenals de hoeveelheden krypton per miljoen die het grootste risico vertegenwoordigen. Dit vermindert de zuiverheid van het verzamelde ⁸⁵ Kr en verhoogt het afvalvolume. Bovendien, bestaande krypton-extractiemethoden zijn afhankelijk van kostbare en complexe cryogene processen.

De studie van de groep, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , evalueerde een reeks ultramicroporeuze MOF's met verschillende metalen centra, waaronder zink, kobalt, nikkel, en ijzer, en ontdekte dat een koperhoudend kristal, SIFSIX-Cu, toonde goede belofte.

Om de gunstige combinatie van stralingsstabiliteit en selectieve adsorptie te benutten, terwijl ook de hoeveelheid afval wordt geminimaliseerd, het team stelde een behandelingsproces in twee stappen voor, waarin een aanvankelijk bed van het materiaal wordt gebruikt om xenon en kooldioxide uit het uitstromende gasmengsel te adsorberen, waarna het gas wordt overgebracht naar een tweede bed dat selectief krypton adsorbeert, maar geen stikstof of zuurstof.

"Als we op een dag de verbruikte splijtstoffen willen behandelen, die in de VS momenteel worden opgeslagen in zwembaden en droge vaten op de locaties van de kerncentrales, we moeten omgaan met de vluchtige radionucliden", legt Ju Li uit, MIT's Battelle Energy Alliance hoogleraar Nuclear Science and Engineering en hoogleraar materiaalkunde en engineering. "Fysisorptie van krypton en xenon is een goede benadering, en we waren erg blij om met dit grote team samen te werken aan de MOF-aanpak."

MOF's worden gezien als een mogelijke oplossing voor toepassingen op veel gebieden, maar dit onderzoek markeert de eerste systematische studie van hun toepasbaarheid in de nucleaire sector, en de effectiviteit van verschillende metaalcentra op MOF-stralingsstabiliteit, merkt op Sameh K. Elsaidi, een onderzoekswetenschapper bij het National Energy and Technology Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en de hoofdauteur van het artikel.

"Er zijn al meer dan 60, 000 verschillende MOF's, en er worden er elke dag meer ontwikkeld, dus er is veel om uit te kiezen, " zegt Elsaidi. "De selectie van een voor ⁸⁵ Kr-scheiding tijdens opwerking is gebaseerd op verschillende essentiële criteria. Tijdens onze lange zoektocht naar poreuze materialen die aan deze criteria kunnen voldoen, we ontdekten dat een klasse van microporeuze MOF's, SIFSIX-3-M genaamd, het volume van nucleair afval efficiënt kan verminderen door te scheiden ⁸⁵ Kr in meer zuivere vorm van de andere niet-radioactieve gassen. Echter, om nuttig te zijn voor de praktische scheiding van ⁸⁵ Kr, deze materialen moeten onder opwerkingsomstandigheden bestand zijn tegen straling.

"Dit is een eerste blik op kandidaten die aan de criteria kunnen voldoen. Ik heb veel geluk om met Ju en [MIT NSE postdoc Ahmed Sami Helal] samen te werken nu we beginnen te evalueren of deze materialen in de echte wereld kunnen worden gebruikt. Dit project was een heel goed voorbeeld van hoe samenwerking kan leiden tot een beter fundamenteel begrip, en er is veel onderweg dat we samen kunnen doen, ", voegt Elsaïdi toe.

Helal-aantekeningen, "Het bestuderen van het effect van hoogenergetische ioniserende straling, inclusief β-stralen en γ-stralen, over de stabiliteit van MOF's is een zeer belangrijke factor bij het bepalen of de MOF's kunnen worden gebruikt voor het afvangen van splijtingsgassen uit gebruikte brandstof. Dit werk is het eerste dat de radiolytische stabiliteit van MOF's onderzoekt bij stralingsdoses die relevant zijn voor de praktische Xe/Kr-scheiding in brandstofopwerkingsfabrieken."

Het ontwikkelen van een praktisch adsorptieproces is een complexe taak, waarvoor capaciteiten uit meerdere disciplines vereist zijn, waaronder chemische technologie, materiaal kunde, en nucleaire techniek. The research leveraged several specialized Institute resources, including the MIT gamma irradiation facility (managed by the MIT Radiation Protection Program) and the High Voltage Research Laboratory, which was used for beta irradiation measurements with assistance from Mitchell Galanek of the MIT Office of Environment, Health and Safety.

Die inspanningen, in conjunction with X-ray diffraction studies and electronic structure modeling, "were fascinating and helped us learn a lot about MOFs and build our understanding of non-neutronic radiation resistance of this new class of materials, " says Li. "That could be useful in other applications in the future, " including detectors.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.