Separação de 85 Kr de combustível nuclear usado por uma estrutura orgânica de metal altamente seletiva. Crédito:Mike Gipple / NETL
A energia nuclear fornece cerca de 20 por cento do fornecimento de eletricidade dos EUA, e mais da metade de sua capacidade de geração livre de carbono.
As operações de reatores nucleares comerciais produzem pequenas quantidades de combustível irradiado, que em alguns países é reprocessado para extrair materiais que podem ser reciclados como combustível em outros reatores. A chave para a melhoria da economia deste ciclo de combustível é a captura de produtos radioativos gasosos de fissão, como 85 criptônio.
Portanto, desenvolvendo tecnologia eficiente para capturar e proteger 85 O criptônio da mistura de gases efluentes representaria uma melhoria significativa na gestão dos combustíveis nucleares usados. Um caminho promissor é a adsorção de gases em um tipo avançado de material cristalino macio, estruturas metálicas orgânicas (MOFs), que possuem porosidade extremamente alta e enorme área de superfície interna e podem incorporar uma vasta gama de componentes orgânicos e inorgânicos.
A pesquisa publicada recentemente por um grupo multidisciplinar que inclui membros do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT (NSE) representa um dos primeiros passos em direção à aplicação prática de MOFs para gerenciamento de combustível nuclear, com novas descobertas sobre eficácia e resistência à radiação, e um conceito inicial para implementação.
Um desafio fundamental é que a mistura de gases produzidos durante o reprocessamento de combustível é rica em oxigênio e nitrogênio, e os métodos existentes tendem a coletá-los, bem como as quantidades de criptônio, parte por milhão, que representam o maior risco. Isso reduz a pureza do 85 Kr e aumenta o volume de resíduos. Além disso, os métodos de extração de criptônio existentes dependem de processos criogênicos complexos e caros.
O estudo do grupo, publicado no jornal Nature Communications , avaliou uma série de MOFs ultra-microporosos com diferentes centros de metal, incluindo zinco, cobalto, níquel, e ferro, e descobri que um cristal contendo cobre, SIFSIX-Cu, mostrou uma boa promessa.
Para aproveitar sua combinação favorável de estabilidade de radiação e adsorção seletiva, ao mesmo tempo que minimiza o volume de resíduos, a equipe propôs um processo de tratamento em duas etapas, em que um leito inicial do material é usado para adsorver xenônio e dióxido de carbono da mistura de gás efluente, após o que o gás é transferido para um segundo leito que adsorve seletivamente criptônio, mas não nitrogênio ou oxigênio.
“Se um dia quisermos tratar os combustíveis usados, que nos EUA são atualmente armazenados em piscinas e tonéis secos nas instalações da usina nuclear, precisamos lidar com os radionuclídeos voláteis. "explica Ju Li, Professor de Ciência e Engenharia Nuclear da Battelle Energy Alliance do MIT e professor de ciência e engenharia de materiais. "A fisiossorção de criptônio e xenônio é uma boa abordagem, e ficamos muito felizes em colaborar com essa grande equipe na abordagem do MOF. "
MOFs têm sido vistos como uma solução possível para aplicativos em muitos campos, mas esta pesquisa marca o primeiro estudo sistemático de sua aplicabilidade no setor nuclear, e a eficácia de diferentes centros de metal na estabilidade da radiação MOF, observa Sameh K. Elsaidi, um cientista pesquisador do Laboratório Nacional de Energia e Tecnologia do Departamento de Energia dos EUA e o autor principal do artigo.
“Já são mais de 60, 000 MOFs diferentes, e mais estão sendo desenvolvidos todos os dias, então há muito por onde escolher, "diz Elsaidi." A escolha de um para 85 A separação de Kr durante o reprocessamento é baseada em vários critérios essenciais. Durante nossa longa busca por materiais porosos que possam atender a esses critérios, descobrimos que uma classe de MOFs microporosos chamados SIFSIX-3-M pode reduzir com eficiência o volume de resíduos nucleares separando 85 Kr na forma mais pura de outros gases não radioativos. Contudo, a fim de ser útil para a separação prática de 85 Kr, esses materiais devem ser resistentes à radiação em condições de reprocessamento.
"Esta é uma primeira análise dos candidatos que podem atender aos critérios. Sinto-me muito sortudo por trabalhar com Ju e [pós-doutorado do MIT NSE Ahmed Sami Helal] quando começamos a avaliar se esses materiais podem ser usados no mundo real. Este projeto foi um bom exemplo de como o trabalho colaborativo pode levar a uma melhor compreensão dos fundamentos, e há muito que podemos fazer juntos, "acrescenta Elsaidi.
Notas de Helal, "Estudando o efeito da radiação ionizante de alta energia, incluindo raios β e raios γ, sobre a estabilidade dos MOFs é um fator muito importante para determinar se os MOFs podem ser usados para a captura de gases de fissão do combustível usado. Este trabalho é o primeiro a investigar a estabilidade radiolítica de MOFs em doses de radiação relevantes para a separação prática de Xe / Kr em plantas de reprocessamento de combustível. "
O desenvolvimento de um processo prático de adsorção é uma tarefa complexa, exigindo recursos de várias disciplinas, incluindo engenharia química, Ciência de materiais, e engenharia nuclear. A pesquisa aproveitou vários recursos especializados do Instituto, 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.
Esses esforços, 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.
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
