Kernenergie wordt beschouwd als een van de manieren om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen, maar hoe om te gaan met kernafvalproducten is een van de problemen die eromheen spelen. Radioactieve afvalproducten kunnen worden omgezet in stabielere elementen, maar dit proces is nog niet op grote schaal haalbaar.

Nieuw onderzoek onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Tokio onthult een methode om een ​​belangrijk onderdeel van het proces om kernafval stabieler te maken nauwkeuriger te meten, voorspellen en modelleren. Dit zou kunnen leiden tot verbeterde faciliteiten voor de behandeling van kernafval en ook tot nieuwe theorieën over hoe sommige zwaardere elementen in het universum zijn ontstaan.

Het woord ‘nucleair’ kan voor sommige mensen een trigger zijn, begrijpelijkerwijs in Japan, waar de atoombom en de ramp in Fukushima enkele van de cruciale momenten in de moderne geschiedenis van het land zijn. Maar gezien de relatieve schaarste aan geschikte ruimte in Japan voor hernieuwbare vormen van energie zoals zonne- en windenergie, wordt kernenergie beschouwd als een cruciaal onderdeel van de inspanningen om de energiesector koolstofvrij te maken.

Daarom zijn onderzoekers hard aan het werk om de veiligheid, efficiëntie en andere zaken met betrekking tot kernenergie te verbeteren. Universitair hoofddocent Nobuaki Imai van het Center for Nuclear Study aan de Universiteit van Tokio en zijn collega's denken dat ze kunnen bijdragen aan het verbeteren van een belangrijk aspect van kernenergie, de verwerking van afval.

"In grote lijnen werkt kernenergie door water te koken met behulp van zichzelf in stand houdende nucleaire vervalreacties. Instabiele elementen vallen uit elkaar en vervallen, waarbij warmte vrijkomt, waardoor water kookt en turbines worden aangedreven. Maar dit proces laat uiteindelijk onbruikbaar afval achter dat nog steeds radioactief is", zegt hij. Imai.

“Dit afval kan honderdduizenden jaren radioactief blijven, dus wordt het meestal diep onder de grond begraven. Maar er is een groeiende wens om een ​​andere manier te onderzoeken, een manier waarop instabiel radioactief afval stabieler kan worden gemaakt, waarbij radioactief verval wordt vermeden en waardoor het veel veiliger is om ermee om te gaan. Het heet transmutatie."

Transmutatie is als het tegenovergestelde van nucleair verval; in plaats van dat een element uit elkaar valt en straling vrijkomt, kan een neutron aan een onstabiel element worden toegevoegd, waardoor het in een iets zwaardere versie van zichzelf verandert. Afhankelijk van de oorspronkelijke stof kan deze nieuwe vorm stabiel genoeg zijn om als veilig te worden beschouwd.

Het probleem is dat, hoewel dit proces al enige tijd algemeen bekend is, het onmogelijk was om voldoende nauwkeurig te kwantificeren om het idee naar de volgende fase te brengen en idealiter een prototype van een nieuwe generatie afvalbeheerfaciliteiten te produceren.

‘Het idee kwam eigenlijk uit een verrassende bron:botsende sterren, met name neutronensterren’, zegt Imai. "Na recente observaties van zwaartekrachtsgolven die voortkomen uit de samensmelting van neutronensterren, zijn onderzoekers erin geslaagd een beter inzicht te krijgen in de manier waarop neutronen met elkaar omgaan en hun vermogen om andere elementen te wijzigen."

"Op basis hiervan hebben we een reeks instrumenten gebruikt om onze focus te verkleinen op hoe het element selenium, een veel voorkomend nucleair afvalproduct, zich gedraagt ​​wanneer het wordt gebombardeerd door neutronen. Onze techniek stelt ons in staat te voorspellen hoe materialen neutronen absorberen en transmutatie ondergaan. Deze kennis kan bijdragen aan ontwerpen voor faciliteiten voor de transmutatie van kernafval."

Het is moeilijk voor onderzoekers om dit soort observaties te doen; in feite zijn ze niet in staat om transmutatiedaden direct waar te nemen. In plaats daarvan kan het team observeren hoeveel van een monster niet transmuteert, en door metingen uit te voeren om te weten of de transmutatie inderdaad heeft plaatsgevonden, kunnen ze schatten, zij het zeer nauwkeurig, hoeveel van het monster wel is getransmuteerd.

"We zijn ervan overtuigd dat onze metingen nauwkeurig de werkelijke transmutatiesnelheid van onstabiel selenium in een stabielere vorm weerspiegelen", aldus Imai. "We zijn nu van plan dit voor andere nucleaire afvalproducten te meten. Hopelijk zal deze kennis worden gecombineerd met andere gebieden die nodig zijn om faciliteiten voor de verwerking van kernafval te realiseren, en deze kunnen we de komende decennia tegenkomen."

‘Hoewel het onze doelstellingen zijn om de nucleaire veiligheid te verbeteren, vind ik het interessant dat er een bidirectionele relatie bestaat tussen dit onderzoek en de astrofysica. We werden geïnspireerd door botsende neutronensterren, en ons onderzoek kan van invloed zijn op de manier waarop astrofysici zoeken naar tekenen van nucleaire synthese, de creatie van elementen in sterren, om beter te begrijpen hoe elementen zwaarder dan ijzer werden gemaakt, inclusief de elementen die essentieel zijn voor het leven."

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Physics Letters B .

Meer informatie: N. Imai et al, Neutronenvangstreactie dwarsdoorsnede van 79Se tot en met de 79Se(d,p) reactie in inverse kinematica, Physics Letters B (2024). DOI:10.1016/j.physletb.2024.138470

Aangeboden door Universiteit van Tokio