Un reactor nuclear típico usa solo una pequeña fracción de su barra de combustible para producir energía antes de que la reacción generadora de energía termine naturalmente. Lo que queda es una variedad de elementos radiactivos, incluido el combustible no utilizado, que se eliminan como desechos nucleares en los Estados Unidos. Aunque ciertos elementos reciclados de los desechos se pueden utilizar para alimentar nuevas generaciones de reactores nucleares, extraer el combustible sobrante de una manera que evite un posible uso indebido es un desafío continuo.

Ahora, Los investigadores de ingeniería de la Universidad de Texas A&M han ideado una enfoque resistente a la proliferación para separar diferentes componentes de los desechos nucleares. La reacción química de un solo paso, descrito en la edición de febrero de la revista Investigación en química industrial y de ingeniería , da como resultado la formación de cristales que contienen todos los elementos de combustible nuclear sobrantes distribuidos uniformemente.

Los investigadores también notaron que la simplicidad de su enfoque de reciclaje hace que la traducción de la mesa de laboratorio a la industria sea factible.

"Nuestra estrategia de reciclaje se puede integrar fácilmente en un diagrama de flujo químico para su implementación a escala industrial, "dijo Johnathan Burns, científico investigador en el Centro de Ciencia e Ingeniería Nuclear de la Estación Experimental de Ingeniería de Texas A&M. "En otras palabras, la reacción se puede repetir varias veces para maximizar el rendimiento de recuperación de combustible y reducir aún más los desechos nucleares radiactivos ".

La base de la producción de energía en los reactores nucleares es la fisión termonuclear. En esta reacción, un núcleo pesado, generalmente uranio, cuando son golpeados por partículas subatómicas llamadas neutrones, se vuelve inestable y se rompe en pedazos más pequeños, elementos más ligeros. Sin embargo, El uranio puede absorber neutrones y volverse progresivamente más pesado para formar elementos como el neptunio, plutonio y americio, antes de volver a dividir y liberar energía.

Tiempo extraordinario, estas reacciones de fisión conducen a la acumulación de elementos más ligeros en el reactor nuclear. Pero aproximadamente la mitad de estos productos de fisión se consideran venenos de neutrones; también absorben neutrones como el combustible nuclear usado. dejando menos para la reacción de fisión, eventualmente parando la producción de energía.

Por eso, las barras de combustible usadas contienen productos de fisión, uranio sobrante y pequeñas cantidades de plutonio, neptunio y americio. En la actualidad, estos artículos se consideran colectivamente desechos nucleares en los Estados Unidos y están destinados a ser almacenados en depósitos subterráneos debido a su alta radiactividad.

"Los residuos nucleares son un problema de dos frentes, "Dijo Burns." Primero, casi el 95% del material de partida del combustible no se utiliza, y segundo, los residuos que producimos contienen de larga duración, elementos radiactivos. Neptunio y americio, por ejemplo, puede persistir e irradiar durante cientos de miles de años ".

Los científicos han tenido cierto éxito con la separación de uranio, plutonio y neptunio. Sin embargo, estos métodos han sido muy complejos y han tenido un éxito limitado en la separación de americio. Es más, Burns dijo que el Departamento de Energía de los Estados Unidos requiere que la estrategia de reciclaje sea resistente a la proliferación, lo que significa que el plutonio, que se puede utilizar en armas, nunca debe separarse de otros elementos de combustible nuclear durante el proceso de reciclaje.

Para abordar las necesidades insatisfechas de reciclaje de desechos nucleares, Los investigadores investigaron si existía una reacción química simple que pudiera separar todos los elementos químicos de combustible nuclear usados ​​deseables.

De estudios anteriores, los investigadores sabían que a temperatura ambiente, El uranio forma cristales en ácido nítrico fuerte. Dentro de estos cristales, Los átomos de uranio están dispuestos en un perfil único:un átomo de uranio central está intercalado entre dos átomos de oxígeno a cada lado al compartir seis electrones con cada átomo de oxígeno.

"Inmediatamente nos dimos cuenta de que esta estructura cristalina podría ser una forma de separar el plutonio, neptunio y americio, ya que todos estos elementos pesados ​​pertenecen a la misma familia que el uranio, "Dijo Burns.

Los investigadores plantearon la hipótesis de que si el plutonio, el neptunio y el americio asumieron una estructura de enlace similar con el oxígeno como el uranio, entonces estos elementos se integrarían en el cristal de uranio.

Por sus experimentos, prepararon una solución sustituta de uranio, plutonio, neptunio y americio en ácido nítrico altamente concentrado a 60-90 grados Celsius para imitar la disolución de una barra de combustible real en el ácido fuerte. Encontraron que cuando la solución alcanzó la temperatura ambiente, como se predijo, ese uranio, neptunio, plutonio y americio separados de la solución juntos, distribuyéndose uniformemente dentro de los cristales.

Burns señaló que esto simplificado, El proceso de un solo paso también es resistente a la proliferación, ya que el plutonio no se aísla sino que se incorpora a los cristales de uranio.

"La idea es que el combustible reprocesado generado a partir de nuestra reacción química prescrita se pueda utilizar en futuras generaciones de reactores, que no solo quemaría uranio como la mayoría de los reactores actuales, sino también otros elementos pesados ​​como el neptunio, plutonio y americio, ", Dijo Burns." Además de abordar el problema del reciclaje de combustible y reducir el riesgo de proliferación, nuestra estrategia reducirá drásticamente los desechos nucleares a solo los productos de fisión cuya radiactividad es de cientos en lugar de cientos de miles de años ".