Un tipico reattore nucleare utilizza solo una piccola frazione della sua barra di combustibile per produrre energia prima che la reazione di generazione di energia termini naturalmente. Ciò che resta è un assortimento di elementi radioattivi, compreso il carburante inutilizzato, smaltiti come scorie nucleari negli Stati Uniti. Sebbene alcuni elementi riciclati dai rifiuti possano essere utilizzati per alimentare le nuove generazioni di reattori nucleari, estrarre il carburante residuo in modo da prevenire possibili abusi è una sfida continua.

Ora, I ricercatori di ingegneria della Texas A&M University hanno ideato un semplice, approccio resistente alla proliferazione per separare i diversi componenti delle scorie nucleari. La reazione chimica in un unico passaggio, descritto nel numero di febbraio della rivista Ricerca chimica industriale e ingegneristica , provoca la formazione di cristalli contenenti tutti gli elementi rimanenti del combustibile nucleare distribuiti uniformemente.

I ricercatori hanno anche notato che la semplicità del loro approccio al riciclaggio rende fattibile il passaggio dal laboratorio all'industria.

"La nostra strategia di riciclaggio può essere facilmente integrata in un foglio di flusso chimico per l'implementazione su scala industriale, "ha detto Johnathan Burns, ricercatore presso il Centro scientifico e di ingegneria nucleare della Texas A&M Engineering Experiment Station. "In altre parole, la reazione può essere ripetuta più volte per massimizzare la resa di recupero del combustibile e ridurre ulteriormente le scorie nucleari radioattive".

La base della produzione di energia nei reattori nucleari è la fissione termonucleare. In questa reazione, un nucleo pesante, di solito uranio, quando viene colpito da particelle subatomiche chiamate neutroni, diventa instabile e si fa a pezzi in più piccoli, elementi più leggeri. Però, l'uranio può assorbire neutroni e diventare progressivamente più pesante per formare elementi come il nettunio, plutonio e americio, prima ancora una volta di scindere e liberare energia.

Col tempo, queste reazioni di fissione portano ad un accumulo di elementi più leggeri nel reattore nucleare. Ma circa la metà di questi prodotti di fissione sono considerati veleni neutronici:assorbono anche i neutroni proprio come il combustibile nucleare usato, lasciandone meno per la reazione di fissione, eventualmente arrestando la produzione di energia.

Quindi, le barre di combustibile usate contengono prodotti di fissione, avanzi di uranio e piccole quantità di plutonio, nettunio e americio. Attualmente, questi oggetti sono considerati collettivamente scorie nucleari negli Stati Uniti e sono destinati ad essere riposti in depositi sotterranei a causa della loro elevata radioattività.

"Le scorie nucleari sono un problema su due fronti, " Burns ha detto. "In primo luogo, quasi il 95% del materiale di partenza del carburante rimane inutilizzato, e secondo, i rifiuti che produciamo contengono longevi, elementi radioattivi. Nettunio e americio, Per esempio, può persistere e irradiarsi fino a centinaia di migliaia di anni."

Gli scienziati hanno avuto un certo successo con la separazione dell'uranio, plutonio e nettunio. Però, questi metodi sono stati molto complessi e hanno avuto un successo limitato nel separare l'americio. Per di più, Burns ha affermato che il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti richiede che la strategia di riciclaggio sia resistente alla proliferazione, nel senso che il plutonio, che può essere usato nelle armi, non devono mai essere separati da altri elementi del combustibile nucleare durante il processo di riciclaggio.

Per affrontare le esigenze insoddisfatte del riciclaggio dei rifiuti nucleari, i ricercatori hanno studiato se esistesse una semplice reazione chimica che potesse separare insieme tutti gli elementi chimici desiderabili del combustibile nucleare utilizzato.

Da studi precedenti, i ricercatori sapevano che a temperatura ambiente, l'uranio forma cristalli in acido nitrico forte. All'interno di questi cristalli, gli atomi di uranio sono disposti secondo un profilo unico:un atomo di uranio centrale è racchiuso tra due atomi di ossigeno su entrambi i lati condividendo sei elettroni con ciascun atomo di ossigeno.

"Ci siamo subito resi conto che questa struttura cristallina poteva essere un modo per separare il plutonio, nettunio e americio poiché tutti questi elementi pesanti appartengono alla stessa famiglia dell'uranio, " ha detto Burns.

I ricercatori hanno ipotizzato che se il plutonio, il nettunio e l'americio assumevano una struttura di legame con l'ossigeno simile a quella dell'uranio, poi questi elementi si integrerebbero nel cristallo di uranio.

Per i loro esperimenti, hanno preparato una soluzione surrogata di uranio, plutonio, nettunio e americio in acido nitrico altamente concentrato a 60-90 gradi Celsius per simulare la dissoluzione di una vera barra di combustibile nell'acido forte. Hanno trovato quando la soluzione ha raggiunto la temperatura ambiente, come previsto, quell'uranio, nettunio, plutonio e americio separati dalla soluzione insieme, distribuendosi uniformemente all'interno dei cristalli.

Burns ha notato che questo semplificato, il processo a fase singola è anche resistente alla proliferazione poiché il plutonio non è isolato ma incorporato all'interno dei cristalli di uranio.

"L'idea è che il combustibile riprocessato generato dalla nostra reazione chimica prescritta possa essere utilizzato nelle future generazioni di reattori, che non solo brucerebbe uranio come la maggior parte dei reattori attuali, ma anche altri elementi pesanti come il nettunio, plutonio e americio, " Burns ha detto. "Oltre ad affrontare il problema del riciclaggio del carburante e ridurre il rischio di proliferazione, la nostra strategia ridurrà drasticamente le scorie nucleari ai soli prodotti di fissione la cui radioattività è di centinaia anziché di centinaia di migliaia di anni".