La energía nuclear proporciona alrededor del 20 por ciento del suministro de electricidad de EE. UU., y más de la mitad de su capacidad de generación libre de carbono.

Las operaciones de reactores nucleares comerciales producen pequeñas cantidades de combustible gastado, que en algunos países se reprocesa para extraer materiales que pueden reciclarse como combustible en otros reactores. La clave para la mejora de la economía de este ciclo del combustible es la captura de productos radiactivos gaseosos de fisión como ⁸⁵ criptón.

Por lo tanto, desarrollando tecnología eficiente para capturar y asegurar ⁸⁵ El criptón de la mezcla de gases efluentes representaría una mejora significativa en la gestión de los combustibles nucleares usados. Una vía prometedora es la adsorción de gases en un tipo avanzado de material cristalino blando, armazones organometálicos (MOF), que tienen una porosidad extremadamente alta y una enorme superficie interna y pueden incorporar una amplia gama de componentes orgánicos e inorgánicos.

La investigación publicada recientemente por un grupo multidisciplinario que incluye a miembros del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE) del MIT representa uno de los primeros pasos hacia la aplicación práctica de los MOF para la gestión del combustible nuclear. con hallazgos novedosos sobre eficacia y resistencia a la radiación, y un concepto inicial de implementación.

Un desafío fundamental es que la mezcla de gases producida durante el reprocesamiento del combustible es rica en oxígeno y nitrógeno, y los métodos existentes tienden a recolectarlos, así como las cantidades de parte por millón de criptón que representan el mayor riesgo. Esto reduce la pureza de los recogidos. ⁸⁵ Kr y aumenta el volumen de residuos. Es más, Los métodos de extracción de criptón existentes se basan en procesos criogénicos costosos y complejos.

El estudio del grupo, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , evaluó una serie de MOF ultramicroporosos con diferentes centros metálicos, incluido el zinc, cobalto, níquel, y hierro, y descubrió que un cristal que contiene cobre, SIFSIX-Cu, mostró una buena promesa.

Para aprovechar su combinación favorable de estabilidad a la radiación y adsorción selectiva, minimizando al mismo tiempo el volumen de residuos, el equipo propuso un proceso de tratamiento de dos pasos, en el que se utiliza un lecho inicial del material para adsorber xenón y dióxido de carbono de la mezcla de gases efluentes, después de lo cual el gas se transfiere a un segundo lecho que adsorbe selectivamente el criptón pero no el nitrógeno ni el oxígeno.

"Si algún día queremos tratar los combustibles gastados, que en los EE. UU. se almacenan actualmente en piscinas y toneles secos en los sitios de la planta de energía nuclear, necesitamos manejar los radionúclidos volátiles ", explica Ju Li, Profesor de Ciencia e Ingeniería Nuclear de Battelle Energy Alliance del MIT y profesor de ciencia e ingeniería de materiales. "La fisisorción de kriptón y xenón es un buen enfoque, y estamos muy contentos de colaborar con este gran equipo en el enfoque de MOF ".

Los MOF se han considerado una posible solución para aplicaciones en muchos campos, pero esta investigación marca el primer estudio sistemático de su aplicabilidad en el sector nuclear, y la efectividad de diferentes centros metálicos en la estabilidad de la radiación MOF, señala Sameh K. Elsaidi, científico investigador del Laboratorio Nacional de Energía y Tecnología del Departamento de Energía de EE. UU. y autor principal del artículo.

"Ya hay más de 60, 000 MOF diferentes, y cada día se desarrollan más, así que hay mucho para elegir, "dice Elsaidi." La selección de uno para ⁸⁵ La separación de Kr durante el reprocesamiento se basa en varios criterios esenciales. Durante nuestra larga búsqueda de materiales porosos que puedan cumplir con estos criterios, Descubrimos que una clase de MOF microporosos llamada SIFSIX-3-M puede reducir de manera eficiente el volumen de desechos nucleares al separar ⁸⁵ Kr en forma más pura de los otros gases no radiactivos. Sin embargo, con el fin de ser útil para la separación práctica de ⁸⁵ Kr, estos materiales deben ser resistentes a la radiación en condiciones de reprocesamiento.

"Este es un primer vistazo a los candidatos que pueden cumplir con los criterios. Me siento muy afortunado de trabajar con Ju y [el postdoctorado de MIT NSE Ahmed Sami Helal] mientras comenzamos a evaluar si estos materiales se pueden usar en el mundo real. Este proyecto fue un muy buen ejemplo de cómo el trabajo colaborativo puede conducir a una mejor comprensión fundamental, y hay muchas cosas en el futuro que podemos hacer juntos "agrega Elsaidi.

Helal señala, "Estudiando el efecto de la radiación ionizante de alta energía, incluidos los rayos β y los rayos γ, La estabilidad de los MOF es un factor muy importante para determinar si los MOF se pueden utilizar para capturar gases de fisión del combustible usado. Este trabajo es el primero en investigar la estabilidad radiolítica de MOF a dosis de radiación relevantes para la separación práctica de Xe / Kr en plantas de reprocesamiento de combustible ".

Desarrollar un proceso de adsorción práctico es una tarea compleja, que requieren capacidades de múltiples disciplinas, incluida la ingeniería química, ciencia de los Materiales, e ingeniería nuclear. La investigación aprovechó varios recursos especializados del Instituto, 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.

Esos esfuerzos 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.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.