德克萨斯A&M大学的范达纳·苏雷什 研究中规定的一步化学反应导致形成含有铀(黄色圆圈)和少量其他剩余燃料元素(绿色圆圈)的晶体
信用:德州农工大学；m大学工程学院 在能量产生反应自然终止之前，典型的核反应堆只使用其燃料棒的一小部分来发电
留下的是各种各样的放射性元素，包括未使用的燃料，在美国被当作核废料处理
虽然从废料中回收的某些元素可以用于为新一代核反应堆提供动力，但以防止可能的误用的方式提取剩余燃料是一项持续的挑战
现在，德克萨斯A&M大学的工程研究人员已经设计出一种简单的、防扩散的方法来分离核废料的不同成分
工业与工程化学研究杂志二月号上描述的一步化学反应，导致了包含所有均匀分布的剩余核燃料元素的晶体的形成
研究人员还指出，他们回收方法的简单性使得从实验室工作台到工业的转换变得可行
德克萨斯A&M工程实验站核工程和科学中心的研究科学家张克帆·伯恩斯说:“我们的回收策略可以很容易地整合到化学流程表中，用于工业规模的实施。”
“换句话说，反应可以重复多次，以最大限度地提高燃料回收率，并进一步减少放射性核废料
" 核反应堆中能量生产的基础是热核裂变
在这个反应中，一个重原子核，通常是铀，当被称为中子的亚原子粒子撞击时，变得不稳定，并分裂成更小、更轻的元素
然而，铀可以吸收中子，并逐渐变重，形成元素，如镎、钚和镅，然后再次分裂并释放能量
随着时间的推移，这些裂变反应导致核反应堆中较轻元素的积累
但这些裂变产物中大约有一半被认为是中子毒物——它们也像用过的核燃料一样吸收中子，留给裂变反应的就更少了，最终导致能源生产停止
因此，用过的燃料棒含有裂变产物、剩余的铀和少量的钚、镎和镅
目前，这些物品在美国被统称为核废料，由于它们的高放射性，将被存放在地下仓库
“核废料是一个双管齐下的问题，”伯恩斯说
“第一，几乎95%的燃料原材料没有使用，第二，我们产生的废物含有长期存在的放射性元素
例如，镎和镅可以持续存在并辐射数十万年
" 科学家在分离铀、钚和镎方面取得了一些成功
然而，这些方法非常复杂，分离镅的成功有限
此外，伯恩斯说，美国能源部要求回收战略是防扩散的，这意味着可用于武器的钚在回收过程中绝不能与其他核燃料元件分离
为了解决核废料回收未满足的需求，研究人员调查了是否有一个简单的化学反应可以将所有理想的用过的核燃料化学元素分离在一起
从早期的研究中，研究人员知道在室温下，铀在强硝酸中形成晶体
在这些晶体中，铀原子以独特的轮廓排列——一个中心铀原子被夹在两侧的两个氧原子之间，每个氧原子共享六个电子
伯恩斯说:“我们立即意识到，这种晶体结构可能是分离钚、镎和镅的一种方法，因为所有这些重元素都与铀属于同一个家族。”
研究人员假设，如果钚、镎和镅与氧的键结结构类似于铀，那么这些元素会自我整合到铀晶体中
在他们的实验中，他们准备了铀、钚、镎和镅在60-90摄氏度的高浓度硝酸中的替代溶液，以模拟真正的燃料棒在强酸中的溶解
他们发现，当溶液达到室温时，正如预测的那样，铀、镎、钚和镅一起从溶液中分离出来，在晶体中均匀分布
伯恩斯指出，这种简化的单步工艺也是防扩散的，因为钚不是孤立的，而是包含在铀晶体中
伯恩斯说:“我们的想法是，从我们规定的化学反应中产生的再加工燃料可以用于未来几代反应堆，这不仅会像当今大多数反应堆一样燃烧铀，还会燃烧其他重元素，如镎、钚和镅。”
“除了解决燃料回收问题和降低扩散风险，我们的战略还将大幅减少核废料，使其成为放射性只有几百年而不是几十万年的裂变产物
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