Cuando los compuestos del combustible nuclear gastado se descomponen, pueden liberar elementos radiactivos y contaminar el suelo y el agua. Los científicos saben que un compuesto de combustible gastado, dióxido de neptunio, reacciona con el agua, pero no comprenden completamente el proceso. Un estudio ha utilizado técnicas avanzadas de microscopía electrónica para investigar cómo la estructura microscópica del dióxido de neptunio impulsa reacciones químicas que lo llevan a disolverse en el medio ambiente. Los resultados revelaron que el neptunio tiende a disolverse donde los granos del material se unen, conocidos como límites de grano. El neptunio es menos propenso a disolverse en los límites de grano de los granos más grandes de material en comparación con los granos más pequeños de materiales.

Impacto

Las plantas de energía nuclear producen desechos altamente radiactivos en forma de combustible nuclear gastado. Para evitar que la radiación se escape, Los operadores de plantas almacenan el combustible gastado en piscinas y toneles secos en los emplazamientos de los reactores nucleares. Sin embargo, esta no es una solución permanente. Almacenar de forma segura materiales radiactivos durante cientos de miles de años requiere la eliminación subterránea en sitios geológicamente estables. La planificación de este almacenamiento requiere predicciones exhaustivas de cómo los desechos pueden transformarse químicamente para garantizar que sean seguros para el medio ambiente. Este estudio revela que procesar el dióxido de neptunio en formas que produzcan granos más grandes y menos defectos reduce drásticamente la solubilidad del neptunio, su capacidad para disolverse. Esto reduce el impacto medioambiental de los residuos nucleares. Estos conocimientos ayudarán a informar las decisiones políticas sobre la eliminación de desechos nucleares heredados.

Resumen

El dióxido de neptunio se encuentra en desechos nucleares heredados que muestran una estructura compleja con granos a nanoescala y límites de granos prominentes. Los límites de los granos son sitios donde se perturba el orden cristalino del sólido y, a menudo, conducen a una mayor difusión y reactividad química. Los límites de grano en el dióxido de neptunio contienen una fase de hidróxido soluble, que se oxida fácilmente y se disuelve fácilmente cuando entra en contacto con el agua y puede resultar en un aumento de las concentraciones de neptunio en las aguas naturales. La erosión de los límites de los granos causa la ruptura de granos enteros de la matriz y eventualmente resulta en neptunio tanto en solución acuosa como coloidal. que pueden afectar el destino ambiental y la evaluación del transporte.

Este estudio en profundidad de la microestructura del dióxido de neptunio reveló que el tamaño de grano se puede aumentar en un orden de magnitud procesando el material a alta temperatura. La recristalización a alta temperatura induce el crecimiento del grano, que disminuye los defectos superficiales y el área superficial, reduciendo la energía libre del material. Los granos de dióxido de neptunio más grandes dan como resultado una mayor estabilidad y disminuyen la solubilidad en dos órdenes de magnitud. Al examinar los mecanismos de disolución en la interfaz sólido-agua, este estudio cierra una brecha clave para comprender la liberación ambiental de elementos radiactivos. Se espera que los resultados tengan implicaciones ambientales de gran alcance para la evaluación del desempeño.