Il ritrattamento del combustibile nucleare esaurito potrebbe diventare più sicuro ed efficiente in futuro dopo che i ricercatori hanno trovato un modo per modificare la struttura delle molecole per rimuovere i materiali radioattivi.

La ricerca è pubblicata in una recente edizione dell'influente Chemistry—A European Journal ed è descritta dagli editori della rivista come di grande importanza.

L'operazione di ritrattamento

L'energia nucleare offre un ambiente pulito, fonte di elettricità a basse emissioni di carbonio e sta diventando una parte crescente della fornitura energetica in molti paesi del mondo. Circa il 10% dell'elettricità mondiale è prodotta dal nucleare. Però, le centrali nucleari hanno bisogno di combustibile per produrre elettricità e questo combustibile diventa meno efficiente nel tempo, e deve essere sostituita dopo circa cinque anni.

Il combustibile esaurito è ancora altamente radioattivo e genera intense quantità di calore. Prima di essere ricondizionati o smaltiti, deve essere immerso in vasche di raffreddamento specializzate sotto più di 40 piedi d'acqua. L'acqua fornisce schermatura dalla radioattività e viene continuamente raffreddata per rimuovere l'intenso calore dalle barre di combustibile.

Ci vuole più di un anno perché le barre di combustibile si raffreddino al punto da poter essere ritrattate per rimuovere gli elementi di uranio e plutonio, che poi può essere riutilizzato come combustibile.

Però, gli elementi americio, curio e nettunio, che sono chiamati attinidi minori, sono ancora presenti e producono la maggior parte del calore e della radioattività del combustibile esaurito rimanente. Inoltre, questi elementi rimangono altamente radioattivi per circa 9, 000 anni, che rende estremamente difficile gestire in sicurezza lo stoccaggio e lo smaltimento a lungo termine del combustibile esaurito.

Se questi elementi radioattivi nocivi potessero essere rimossi, migliorerebbe significativamente la sicurezza e la sostenibilità dell'energia nucleare, perché il combustibile esaurito rimanente rimarrebbe radioattivo per circa 300 anni, che è un lasso di tempo molto più gestibile.

Modificare le molecole

Le molecole chiamate triazine sono in grado di rimuovere o estrarre questi elementi nocivi dal combustibile nucleare esaurito in modo altamente selettivo, e sono conosciuti da tempo. I ricercatori miravano a scoprire come la modifica di una certa parte di queste molecole potesse influenzare la loro capacità di legare ed estrarre questi attinidi minori a livello molecolare. Le conoscenze e le conoscenze acquisite potrebbero essere sfruttate per progettare meglio, molecole più efficienti per il ritrattamento del combustibile nucleare esaurito in futuro.

I ricercatori hanno cambiato la dimensione degli anelli alifatici nelle molecole di riferimento stabilite da anelli a 6 membri ad anelli a 5 membri. Hanno scoperto che questo piccolo ma sottile cambiamento ha avuto effetti inaspettati sull'efficienza con cui queste molecole legano ed estraggono gli attinidi minori rispetto alle molecole di riferimento. Le ragioni esatte di questi effetti sono state quindi determinate a livello molecolare utilizzando una serie di tecniche sperimentali.

Dottor Frank Lewis, docente senior di chimica organica presso il Dipartimento di scienze applicate della Northumbria University ha dichiarato:"I risultati sono significativi in ​​quanto potrebbero consentire di progettare molecole migliori in un modo più razionale, piuttosto che semplicemente per tentativi ed errori.

"Le conoscenze e le intuizioni che abbiamo acquisito sintonizzando la parte alifatica ciclica di queste molecole potrebbero aprire la strada alla progettazione razionale di ligandi selettivi attinidi migliorati per il ritrattamento dei combustibili nucleari esauriti. Modificare queste molecole in modi diversi per migliorare le loro proprietà di estrazione potrebbe rendere il futuro ritrattamento più efficiente e potrebbe essere essenziale se devono essere utilizzati industrialmente in futuro.

"Riteniamo che questi risultati siano di grande importanza per il campo dell'energia nucleare, e questo è stato confermato dal panel che ha esaminato il documento prima della pubblicazione".