Att utveckla säkra och hållbara bränslen för kärnkraft är en integrerad del av Los Alamos National Laboratory:s energisäkerhetsuppdrag. Urandioxid, en radioaktiv aktinidoxid, är det mest använda kärnbränslet i dagens kärnkraftverk. En ny "förbränningssyntes"-process som nyligen etablerats för lantanidmetaller - icke-radioaktiva och placerade en rad ovanför aktinider i det periodiska systemet - kan vara en vägledning för produktion av säkra, hållbara kärnbränslen.

"Aktinidnitridbränslen är potentiellt ett säkrare och mer ekonomiskt alternativ i nuvarande kraftgenererande system, "sa Bi Nguyen, Los Alamos National Laboratory Agnew postdoc och huvudförfattare till forskning som nyligen publicerades i tidskriften Oorganisk kemi , som valdes ut som en artikel från American Chemical Society Editors 'Choice Featured.

"Nitridbränslen är också väl lämpade för framtida generation IV kärnkraftsystem, som fokuserar på säkerhet, och har en hållbar sluten reaktorbränslecykel. Aktinidnitrider har överlägsen värmeledningsförmåga jämfört med oxiderna och är betydligt mer energitäta, " sa Nguyen. Nitrider är en klass av kemiska föreningar som innehåller kväve, kontra oxider, som innehåller syre.

Aktinidnitridbränslen skulle ge mer säkerhet och hållbarhet på grund av sin energitäthet, erbjuda mer energi från mindre material, samt bättre värmeledningsförmåga – vilket möjliggör lägre temperaturoperationer, ger dem en större marginal till härdsmälta under onormala förhållanden.

Aktinidnitrider, dock, är mycket utmanande att tillverka och produktionen av stora mängder aktinidnitrider med hög renhet fortsätter att vara ett stort hinder för deras tillämpning. Både aktinider och lantanider är längst ner i det periodiska systemet och potentiella metoder för att tillverka aktinidmaterial testas vanligtvis först med lantaniderna eftersom de beter sig på samma sätt, men är inte radioaktiva.

Los Alamos National Laboratory and Naval Research Laboratory forskare upptäckte att LnBTA [lanthanide bis (tetrazolato) amin] -föreningar kan brännas för att producera lanthanidnitridskum med hög renhet i en unik teknik som kallas förbränningssyntes. Denna metod använder en laserpuls för att initiera dehydrerade LnBTA-komplex, som sedan genomgår en självständig förbränningsreaktion i en inert atmosfär för att ge nanostrukturerade lantanidnitridskum. Detta arbete finansierades av Laboratory Directed Research and Development (LDRD) -programmet.

LnBTA-föreningar framställs lätt i bulk och deras förbränning är lätt skalbar. Det finns ett pågående samarbete mellan laboratoriernas avdelningar för vapenmodernisering och kemi för att undersöka aktinidanaloger för förbränningssyntes av aktinidnitridbränslen.