En typisk kärnreaktor använder bara en liten del av sin bränslestav för att producera kraft innan den energigenererande reaktionen naturligt upphör. Det som finns kvar är ett urval av radioaktiva ämnen, inklusive oanvänt bränsle, som slängs som kärnavfall i USA. Även om vissa element som återvinns från avfall kan användas för att driva nyare generationer av kärnreaktorer, att utvinna överblivet bränsle på ett sätt som förhindrar eventuellt missbruk är en ständig utmaning.

Nu, Texas A&M Universitys ingenjörsforskare har tagit fram en enkel, spridningsbeständig metod för att separera olika komponenter i kärnavfallet. Den kemiska reaktionen i ett steg, beskrivs i februarinumret av tidskriften Industriell och teknisk kemiforskning , resulterar i bildandet av kristaller innehållande alla överblivna kärnbränsleelement fördelade jämnt.

Forskarna noterade också att enkelheten i deras återvinningsmetod gör översättningen från laboratoriebänk till industri genomförbar.

"Vår återvinningsstrategi kan enkelt integreras i ett kemikalieflödesschema för implementering i industriell skala, sa Johnathan Burns, forskare vid Texas A&M Engineering Experiment Stations Nuclear Engineering and Science Center. "Med andra ord, reaktionen kan upprepas flera gånger för att maximera utbytet av bränsleåtervinning och ytterligare minska radioaktivt kärnavfall."

Grunden för energiproduktion i kärnreaktorer är termonukleär fission. I denna reaktion, en tung kärna, vanligtvis uran, när de träffas av subatomära partiklar som kallas neutroner, blir instabil och rivs isär till mindre, lättare element. Dock, uran kan absorbera neutroner och blir allt tyngre för att bilda element som neptunium, plutonium och americium, innan man återigen delar och släpper energi.

Över tid, dessa fissionsreaktioner leder till en uppbyggnad av lättare grundämnen i kärnreaktorn. Men ungefär hälften av dessa klyvningsprodukter anses vara neutrongifter - de absorberar också neutroner precis som använt kärnbränsle, lämnar färre till fissionsreaktionen, så småningom stoppa energiproduktionen.

Därav, använda bränslestavar innehåller klyvningsprodukter, överblivet uran och små mängder plutonium, neptunium och americium. För närvarande, dessa föremål anses kollektivt som kärnavfall i USA och är avsedda att stuvas undan i underjordiska förvar på grund av deras höga radioaktivitet.

"Kärnavfall är ett tvådelat problem, " sa Burns. "Först, nästan 95 % av utgångsmaterialet i bränslet lämnas oanvänt, och för det andra, det avfall vi producerar innehåller långlivade, radioaktiva grundämnen. Neptunium och americium, till exempel, kan bestå och stråla i upp till hundratusentals år."

Forskare har haft viss framgång med att separera uran, plutonium och neptunium. Dock, dessa metoder har varit mycket komplexa och har haft begränsad framgång vid separering av americium. Vidare, Burns sa att USA:s energidepartement kräver att återvinningsstrategin är spridningsbeständig, vilket betyder att plutonium, som kan användas i vapen, får aldrig separeras från andra kärnbränsleelement under återvinningsprocessen.

För att möta de otillfredsställda behoven av återvinning av kärnavfall, forskarna undersökte om det fanns en enkel kemisk reaktion som kunde separera alla önskvärda använda kärnbränslekemiska grundämnen.

Från tidigare studier, forskarna visste att vid rumstemperatur, uran bildar kristaller i stark salpetersyra. Inuti dessa kristaller, uranatomer är ordnade i en unik profil - en central uranatom är inklämd mellan två syreatomer på vardera sidan genom att dela sex elektroner med varje syreatom.

"Vi insåg direkt att den här kristallstrukturen kunde vara ett sätt att separera ut plutonium, neptunium och americium eftersom alla dessa tunga grundämnen tillhör samma familj som uran, " sa Burns.

Forskarna antog att om plutonium, neptunium och americium antog en liknande bindningsstruktur med syre som uran, då skulle dessa grundämnen integrera sig i urankristallen.

För sina experiment, de förberedde en surrogatlösning av uran, plutonium, neptunium och americium i högkoncentrerad salpetersyra vid 60-90 grader Celsius för att efterlikna upplösning av en riktig bränslestav i den starka syran. De fann när lösningen nådde rumstemperatur, som förutspått, det uran, neptunium, plutonium och americium separerade från lösningen tillsammans, likformigt fördelar sig i kristallerna.

Burns noterade att detta förenklade, enstegsprocess är också spridningsbeständig eftersom plutonium inte isoleras utan ingår i urankristallerna.

"Tanken är att det upparbetade bränslet som genereras från vår föreskrivna kemiska reaktion kan användas i framtida generationer av reaktorer, som inte bara skulle bränna uran som de flesta dagens reaktorer utan även andra tunga grundämnen som neptunium, plutonium och americium, ", sa Burns. "Förutom att ta itu med problemet med bränsleåtervinning och minska spridningsrisken, vår strategi kommer drastiskt att minska kärnavfallet till bara klyvningsprodukter vars radioaktivitet är hundratals snarare än hundratusentals år."