作者彼得·邓恩，麻省理工学院 用高选择性金属有机框架从乏核燃料中分离85Kr
信用:迈克·吉普尔/NETL 核能提供了美国20%的能源
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电力供应和超过一半的无碳发电能力
商业核反应堆的运行会产生少量的乏燃料，在一些国家，乏燃料会被再加工以提取可在其他反应堆中作为燃料回收的材料
提高这种燃料循环经济性的关键是捕获气态放射性裂变产物，如85千克
因此，开发高效技术，从混合排放气体中捕获并确保85千克的安全，将是对旧核燃料管理的重大改进
一个有前途的途径是将气体吸附到一种先进的软晶体材料——金属有机框架中，这种材料具有极高的孔隙率和巨大的内表面积，可以包含大量的有机和无机成分
由麻省理工学院核科学与工程系(NSE)成员组成的一个多学科小组最近发表的研究代表了将多学科框架应用于核燃料管理的第一步，在功效和抗辐射方面有了新的发现，并有了初步的实施概念
一个根本性的挑战是，燃料后处理过程中产生的混合气体富含氧气和氮气，现有方法倾向于收集它们以及百万分之几的氪，这代表着最高的风险
这降低了收集的85Kr的纯度，并增加了废物量
此外，现有的氪提取方法依赖于昂贵且复杂的低温过程
该小组的研究发表在《自然通讯》杂志上，评估了一系列具有不同金属中心的超微孔多孔膜，包括锌、钴、镍和铁，并发现一种含铜晶体——硅六铜，显示出良好的前景
为了利用其辐射稳定性和选择性吸附的良好组合，同时最大限度地减少废物量，研究小组提出了一个两步处理过程，其中使用材料的初始床从废气混合物中吸附氙和二氧化碳，然后将气体转移到选择性吸附氪但不吸附氮或氧的第二个床
“如果有一天我们想处理用过的燃料
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目前储存在核电站的水池和干桶中，我们需要处理挥发性放射性核素
麻省理工学院巴特尔能源联盟核科学与工程教授、材料科学与工程教授居里解释道
“氪和氙的物理吸附是一个很好的方法，我们很高兴与这个大型团队在财政部的方法上进行合作
" 萨默指出，金属氧化物燃料电池已被视为许多领域应用的可能解决方案，但这项研究标志着首次对其在核领域的适用性以及不同金属中心对金属氧化物燃料电池辐射稳定性的有效性进行了系统研究
埃尔赛迪，美国大学的研究科学家
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能源部国家能源和技术实验室和论文的主要作者
“现在已经有超过60，000个不同的财政部，而且每天都有更多的在开发中，所以有很多可以选择的，”埃尔赛迪说
“在后处理过程中为85Kr分离选择一个是基于几个基本标准
在我们长期寻找符合这些标准的多孔材料的过程中，我们发现一种叫做SIFIX-3-M的微孔多孔材料可以通过从其他非放射性气体中分离出更纯的85Kr来有效地减少核废料的体积
然而，为了对85Kr的实际分离有用，这些材料必须在后处理条件下耐辐射
“这是对符合标准的候选人的第一次审视
当我们开始评估这些材料是否能在现实世界中使用时，我感到非常幸运能与居和[麻省理工学院神经元特异性烯醇化酶博士后艾哈迈德·萨米·海拉尔]一起工作
这个项目是一个很好的例子，说明了协作工作如何能够带来更好的基础理解，在未来的道路上，我们可以一起做很多事情，”埃尔塞迪补充道
海拉尔指出，“研究高能电离辐射(包括β射线和γ射线)对燃料电池堆稳定性的影响，是确定燃料电池堆能否用于从用过的燃料中捕获裂变气体的一个非常重要的因素
这项工作首次研究了在与燃料后处理厂的实际氙/氪分离相关的辐射剂量下，多金属硫化物的辐射分解稳定性
" 开发实用的吸附过程是一项复杂的任务，需要多学科的能力，包括化学工程、材料科学和核工程
该研究利用了几个专门的研究所资源，包括麻省理工学院伽马辐射设施(由麻省理工学院辐射防护计划管理)和高压研究实验室，后者在麻省理工学院环境、健康和安全办公室米切尔·加兰内克的协助下用于β辐射测量
李说，这些努力，加上X射线衍射研究和电子结构建模，“令人着迷，帮助我们了解了许多关于多原子荧光体的知识，并建立了我们对这种新材料的非中子辐射抗性的理解。”
“这可能在未来的其他应用中有用，”包括探测器
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