L'energia nucleare fornisce circa il 20 per cento della fornitura di elettricità degli Stati Uniti, e oltre la metà della sua capacità di generazione senza emissioni di carbonio.

Le operazioni dei reattori nucleari commerciali producono piccole quantità di combustibile esaurito, che in alcuni paesi viene ritrattato per estrarre materiali che possono essere riciclati come combustibile in altri reattori. La chiave per il miglioramento dell'economia di questo ciclo del combustibile è la cattura di prodotti radioattivi gassosi di fissione come ⁸⁵ krypton.

Perciò, sviluppare una tecnologia efficiente per catturare e proteggere ⁸⁵ krypton dal mix di gas effluenti rappresenterebbe un significativo miglioramento nella gestione dei combustibili nucleari usati. Una strada promettente è l'assorbimento dei gas in un tipo avanzato di materiale cristallino morbido, strutture metalliche organiche (MOF), che hanno una porosità estremamente elevata e un'enorme superficie interna e possono incorporare una vasta gamma di componenti organici e inorganici.

La ricerca pubblicata di recente da un gruppo multidisciplinare che include membri del Dipartimento di Scienza e Ingegneria Nucleare (NSE) del MIT rappresenta uno dei primi passi verso l'applicazione pratica dei MOF per la gestione del combustibile nucleare, con nuovi risultati sull'efficacia e la resistenza alle radiazioni, e un concetto iniziale per l'implementazione.

Una sfida fondamentale è che la miscela di gas prodotta durante il ritrattamento del carburante è ricca di ossigeno e azoto, e i metodi esistenti tendono a raccoglierli così come le parti per milione di quantità di krypton che rappresentano il rischio più alto. Questo riduce la purezza del raccolto ⁸⁵ Kr e aumenta il volume dei rifiuti. Inoltre, i metodi di estrazione del krypton esistenti si basano su processi criogenici costosi e complessi.

Lo studio del gruppo, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , valutato una serie di MOF ultra-microporosi con diversi centri metallici tra cui zinco, cobalto, nichel, e ferro, e ha scoperto che un cristallo contenente rame, SIFSIX-Cu, ha mostrato buone promesse.

Per sfruttare la sua favorevole combinazione di stabilità alle radiazioni e adsorbimento selettivo, minimizzando anche il volume dei rifiuti, il team ha proposto un processo di trattamento in due fasi, in cui un letto iniziale del materiale viene utilizzato per adsorbire xeno e anidride carbonica dalla miscela di gas effluente, dopodiché il gas viene trasferito in un secondo letto che adsorbe selettivamente cripton ma non azoto o ossigeno.

"Se un giorno vorremo trattare i combustibili esauriti, che negli Stati Uniti sono attualmente stoccati in piscine e botti a secco presso i siti delle centrali nucleari, dobbiamo gestire i radionuclidi volatili." spiega Ju Li, Battelle Energy Alliance del MIT Professore di scienze nucleari e ingegneria e professore di scienza e ingegneria dei materiali. "Il fisisorbimento di krypton e xeno è un buon approccio, e siamo stati molto felici di collaborare con questo grande team sull'approccio MOF."

I MOF sono stati visti come una possibile soluzione per applicazioni in molti campi, ma questa ricerca segna il primo studio sistematico della loro applicabilità nel settore nucleare, e l'efficacia di diversi centri metallici sulla stabilità alle radiazioni MOF, osserva Sameh K. Elsaidi, ricercatore presso il National Energy and Technology Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e autore principale dell'articolo.

"Ce ne sono già più di 60, 000 diversi MOF, e altri vengono sviluppati ogni giorno, quindi c'è molto da scegliere, " dice Elsaidi. "La scelta di uno per ⁸⁵ La separazione di Kr durante il ritrattamento si basa su diversi criteri essenziali. Durante la nostra lunga ricerca di materiali porosi che possano soddisfare questi criteri, abbiamo scoperto che una classe di MOF microporosi chiamata SIFSIX-3-M può ridurre efficacemente il volume delle scorie nucleari separando ⁸⁵ Kr in forma più pura dagli altri gas non radioattivi. Però, per essere utile per la separazione pratica di ⁸⁵ Kr, questi materiali devono essere resistenti alle radiazioni in condizioni di ritrattamento.

"Questo è un primo sguardo ai candidati che possono soddisfare i criteri. Mi sento molto fortunato a lavorare con Ju e [il postdoc del MIT NSE Ahmed Sami Helal] mentre iniziamo a valutare se questi materiali possono essere utilizzati nel mondo reale. Questo progetto è stato un ottimo esempio di come il lavoro collaborativo può portare a una migliore comprensione fondamentale, e c'è molto lungo la strada che possiamo fare insieme, "aggiunge Elsaidi.

Note di Helal, "Studiando l'effetto delle radiazioni ionizzanti ad alta energia, compresi i raggi e i raggi γ, sulla stabilità dei MOF è un fattore molto importante nel determinare se i MOF possono essere utilizzati per la cattura di gas di fissione dal combustibile usato. Questo lavoro è il primo a studiare la stabilità radiolitica dei MOF a dosi di radiazioni rilevanti per la separazione pratica di Xe/Kr negli impianti di ritrattamento del carburante".

Lo sviluppo di un processo pratico di adsorbimento è un compito complesso, che richiedono capacità da più discipline tra cui ingegneria chimica, scienza dei materiali, e ingegneria nucleare. La ricerca ha fatto leva su diverse risorse dell'Istituto specializzato, including the MIT gamma irradiation facility (managed by the MIT Radiation Protection Program) and the High Voltage Research Laboratory, which was used for beta irradiation measurements with assistance from Mitchell Galanek of the MIT Office of Environment, Health and Safety.

Those efforts, in conjunction with X-ray diffraction studies and electronic structure modeling, "were fascinating and helped us learn a lot about MOFs and build our understanding of non-neutronic radiation resistance of this new class of materials, " says Li. "That could be useful in other applications in the future, " including detectors.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.