Um reator nuclear típico usa apenas uma pequena fração de sua barra de combustível para produzir energia antes que a reação de geração de energia termine naturalmente. O que resta é uma variedade de elementos radioativos, incluindo combustível não utilizado, que são descartados como lixo nuclear nos Estados Unidos. Embora certos elementos reciclados de resíduos possam ser usados ​​para alimentar novas gerações de reatores nucleares, extrair o combustível restante de uma forma que evite um possível uso indevido é um desafio constante.

Agora, Pesquisadores de engenharia da Texas A&M University criaram um método simples, abordagem resistente à proliferação para separar os diferentes componentes do lixo nuclear. A reação química de uma etapa, descrito na edição de fevereiro da revista Pesquisa Química Industrial e de Engenharia , resulta na formação de cristais contendo todos os elementos de combustível nuclear restantes distribuídos uniformemente.

Os pesquisadores também observaram que a simplicidade de sua abordagem de reciclagem torna a tradução da bancada do laboratório para a indústria viável.

"Nossa estratégia de reciclagem pode ser facilmente integrada em um fluxograma químico para implementação em escala industrial, "disse Johnathan Burns, cientista pesquisador do Centro de Ciência e Engenharia Nuclear da Estação Experimental de Engenharia A&M do Texas. "Em outras palavras, a reação pode ser repetida várias vezes para maximizar o rendimento da recuperação de combustível e reduzir ainda mais o lixo nuclear radioativo. "

A base da produção de energia em reatores nucleares é a fissão termonuclear. Nesta reação, um núcleo pesado, geralmente urânio, quando atingido por partículas subatômicas chamadas nêutrons, torna-se instável e se divide em partes menores, elementos mais leves. Contudo, o urânio pode absorver nêutrons e ficar progressivamente mais pesado para formar elementos como o neptúnio, plutônio e amerício, antes de mais uma vez dividir e liberar energia.

Hora extra, essas reações de fissão levam ao acúmulo de elementos mais leves no reator nuclear. Mas cerca de metade desses produtos de fissão são considerados venenos de nêutrons - eles também absorvem nêutrons, assim como o combustível nuclear usado, deixando menos para a reação de fissão, eventualmente interrompendo a produção de energia.

Portanto, barras de combustível usadas contêm produtos de fissão, sobras de urânio e pequenas quantidades de plutônio, neptúnio e amerício. Atualmente, esses itens são considerados coletivamente como lixo nuclear nos Estados Unidos e são destinados a serem armazenados em depósitos subterrâneos devido à sua alta radioatividade.

"O lixo nuclear é um problema de duas frentes, "Disse Burns." Primeiro, quase 95% do material de partida do combustível é deixado sem uso, e em segundo lugar, o lixo que produzimos contém vida longa, elementos radioativos. Neptunium e Americium, por exemplo, pode persistir e irradiar por até centenas de milhares de anos. "

Os cientistas tiveram algum sucesso com a separação do urânio, plutônio e neptúnio. Contudo, esses métodos foram muito complexos e tiveram sucesso limitado na separação do amerício. Além disso, Burns disse que o Departamento de Energia dos Estados Unidos exige que a estratégia de reciclagem seja resistente à proliferação, o que significa que o plutônio, que pode ser usado em armas, nunca deve ser separado de outros elementos do combustível nuclear durante o processo de reciclagem.

Para atender às necessidades não atendidas de reciclagem de lixo nuclear, os pesquisadores investigaram se havia uma reação química simples que pudesse separar todos os elementos químicos desejáveis ​​usados ​​no combustível nuclear.

De estudos anteriores, os pesquisadores sabiam que, em temperatura ambiente, o urânio forma cristais em ácido nítrico forte. Dentro desses cristais, Os átomos de urânio são organizados em um perfil único - um átomo de urânio central é imprensado entre dois átomos de oxigênio em cada lado, compartilhando seis elétrons com cada átomo de oxigênio.

"Percebemos imediatamente que essa estrutura cristalina poderia ser uma forma de separar o plutônio, neptúnio e amerício, uma vez que todos esses elementos pesados ​​pertencem à mesma família do urânio, "Disse Burns.

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que, se o plutônio, o neptúnio e o amerício assumiram uma estrutura de ligação semelhante com o oxigênio do urânio, então, esses elementos se integrariam ao cristal de urânio.

Para seus experimentos, eles prepararam uma solução substituta de urânio, plutônio, neptúnio e amerício em ácido nítrico altamente concentrado a 60-90 graus Celsius para imitar a dissolução de uma barra de combustível real no ácido forte. Eles descobriram que quando a solução atingiu a temperatura ambiente, como previsto, aquele urânio, neptúnio, plutônio e amerício separados da solução juntos, distribuindo-se uniformemente dentro dos cristais.

Burns observou que isso simplificou, o processo de etapa única também é resistente à proliferação, uma vez que o plutônio não é isolado, mas incorporado aos cristais de urânio.

"A ideia é que o combustível reprocessado gerado a partir de nossa reação química prescrita possa ser usado em futuras gerações de reatores, que não só queimaria urânio como a maioria dos reatores atuais, mas também outros elementos pesados, como o neptúnio, plutônio e amerício, "Disse Burns." Além de abordar o problema de reciclagem de combustível e reduzir o risco de proliferação, nossa estratégia reduzirá drasticamente o lixo nuclear a apenas os produtos de fissão cuja radioatividade é de centenas, em vez de centenas de milhares de anos. "