Upparbetningen av använt kärnbränsle kan bli säkrare och effektivare i framtiden efter att forskare hittat ett sätt att modifiera strukturen på molekyler för att ta bort radioaktivt material.

Forskningen publiceras i en ny upplaga av den inflytelserika Chemistry—A European Journal och beskrivs av tidskriftens redaktörer som av stor betydelse.

Upparbetningsoperationen

Kärnkraften ger en ren, låg koldioxidkälla och blir en växande del av energiförsörjningen i många länder världen över. Cirka 10 % av världens el produceras av kärnkraft. Dock, kärnkraftverk behöver bränsle för att producera el och detta bränsle blir mindre effektivt med tiden, och måste bytas ut efter cirka fem år.

Använt bränsle är fortfarande mycket radioaktivt och genererar intensiva mängder värme. Innan den omarbetas eller omhändertas, den måste sänkas ner i specialiserade kyldammar under mer än 40 fot vatten. Vattnet ger avskärmning från radioaktivitet och kyls kontinuerligt för att ta bort den intensiva värmen från bränslestavarna.

Det tar mer än ett år för bränslestavarna att svalna till en punkt där de kan bearbetas för att ta bort uran- och plutoniumelementen, som sedan kan återanvändas som bränsle.

Dock, grundämnena americium, curium och neptunium, som kallas de mindre aktiniderna, finns fortfarande kvar och producerar det mesta av värmen och radioaktiviteten hos det återstående använda bränslet. Dessutom, dessa element förblir mycket radioaktiva i cirka 9, 000 år, vilket gör långtidslagring och slutförvaring av använt kärnbränsle extremt svårt att hantera på ett säkert sätt.

Om dessa skadliga radioaktiva grundämnen kunde avlägsnas skulle det avsevärt förbättra säkerheten och hållbarheten för kärnenergi, eftersom det återstående använda bränslet skulle förbli radioaktivt i cirka 300 år, vilket är en mycket mer hanterbar tidsram.

Modifiera molekylerna

Molekyler som kallas triaziner kan ta bort eller extrahera dessa skadliga grundämnen från använt kärnbränsle på ett mycket selektivt sätt, och har varit kända sedan en tid tillbaka. Forskarna syftade till att ta reda på hur modifiering av en viss del av dessa molekyler kan påverka deras förmåga att binda och extrahera dessa mindre aktinider på molekylär nivå. Kunskapen och insikterna som erhållits skulle kunna utnyttjas för att designa bättre, effektivare molekyler för upparbetning av använt kärnbränsle i framtiden.

Forskarna ändrade storleken på de alifatiska ringarna i de etablerade benchmarkmolekylerna från 6-ledade ringar till 5-ledade ringar. De fann att denna lilla men subtila förändring hade oväntade effekter på hur effektivt dessa molekyler binder och extraherar de mindre aktiniderna jämfört med riktmärkesmolekylerna. De exakta orsakerna till dessa effekter bestämdes sedan på molekylär nivå med användning av en rad experimentella tekniker.

Dr Frank Lewis, universitetslektor i organisk kemi vid Northumbria Universitys institution för tillämpad vetenskap sa:"Fynden är betydelsefulla eftersom de kan tillåta bättre molekyler att utformas på ett mer rationellt sätt, snarare än bara genom försök och misstag.

"Kunskapen och insikterna vi har fått genom att trimma den cykliska alifatiska delen av dessa molekyler kan bana väg för en rationell design av förbättrade aktinidselektiva ligander för upparbetning av använt kärnbränsle. Modifiering av dessa molekyler på olika sätt för att förbättra deras extraktionsegenskaper kan göra framtiden upparbetning effektivare och kan vara avgörande om de ska användas industriellt i framtiden.

"Vi tror att dessa resultat är av stor betydelse för kärnkraftsområdet, och detta har bekräftats av panelen som granskade tidningen före publicering. "