Американские химики нашли новый способ удаления радиоактивного газа из ядерных отходов

Исследования, проводимые группой ученых из Национальной лаборатории «Sandia», помогут найти способ производства чистой, безопасной атомной энергии и сократить объемы радиоактивных отходов.

Исследователи из Национальной лаборатории «Sandia» (США) использовали металлоорганические каркасные структуры для связывания и удаления летучего радиоактивного газа из отработанного ядерного топлива. «Это первая попытка связать радиоактивный йод с помощью металлоорганических каркасных структур», – заявляет химик Тина Ненофф.

Данное открытие может применяться при переработке ядерного топлива или в процессе ликвидации последствий аварий на атомных электростанциях. Особенностью ядерного горючего является то, что его отходы можно переработать – восстановить делящееся вещество и использовать заново. Повторной переработкой атомных отходов занимаются такие страны, как Франция, Россия и Индия.

В процессе переработки также сокращаются объемы высокоактивных отходов, в чем и заключается главная задача ученых из «Sandia». «Нашей целью является поиск новых методик высокоселективного деления, в результате которого приходится захоронять минимум отходов», – отмечает Ненофф.

Главной сложностью при переработке ядерных отходов является необходимость отделить и изолировать радиоактивные компоненты, которые в дальнейшем можно использовать в качестве топлива. Исследователи направили основные усилия на связывание йода, изотопы которого имеют период полураспада в 16 миллионов лет.

Они изучили уже известные материалы, в том числе серебросодержащий цеолит – пористый минерал, обладающий кристаллической структурой, высокой удельной поверхностью и большой механической, температурной и химической устойчивостью. Различные структуры цеолита могут улавливать и удалять радиоактивный йод из отработанного ядерного топлива, однако для этого требуется добавление серебра.  

 «Серебро связывает йод и образует йодид серебра, – объясняет Ненофф. – Цеолит удерживает серебро в своих порах и вступает в реакцию с йодом, улавливая таким образом йодид серебра». Однако серебро стоит недешево и может оказать негативное влияние на окружающую среду, поэтому исследователи поставили перед собой цель создать материал, не содержащий серебра, работающий по принципу цеолита и обладающий большей способностью связывать газ. Они изучили причины и способы поглощения йода цеолитом и использовали наиболее важные компоненты для разработки усовершенствованной металлоорганической каркасной структуры, которая получила название ZIF-8.

«Мы исследовали структурные свойства имеющихся веществ и интегрировали их в новый, усовершенствованный материал», – добавляет Ненофф.

Металлоорганические каркасные структуры представляют собой кристаллический пористый материал, атом металла в котором соединяется с атомом органического вещества благодаря умеренно самоорганизующемуся химическому синтезу. Выбор определённого металла и органического вещества приводят к появлению специфической структуры.

Основная задача заключалась в том, чтобы найти вещество, предназначенное специально для улавливания летучего йода. Исследователи «позаимствовали» лучшие свойства морденита (разновидности цеолита) – пористость, высокую удельную поверхность, устойчивость и химическую абсорбцию – и разработали  металлоорганическую структуру, способную отделить молекулу йода от потока других молекул. Далее хранящийся в порах йод преобразуют в остеклованную форму для долгосрочного захоронения.

Кроме того, ученые изготовили металлоорганические каркасные структуры в виде прочных гранул, произведенных из промышленно выпускаемых веществ. Гранулы представляют собой наиболее оптимальную форму, которая позволяет сократить площадь занимаемой поверхности. Сотрудники Национальной лаборатории подали заявку на патентование технологии производства гранул, которая может получить промышленное применение.

Исследования, проводимые сотрудниками «Sandia», являются частью проекта «Off-Gas Sigma Team», возглавляемого Окриджской национальной лабораторией, которая занимается разработкой технологий связывания летучих газов, высвобождаемых при переработке ядерного топлива. Другие участники проекта – Тихоокеанская северо-западная и Аргонская национальные лаборатории, а также лаборатория Айдахо – исследуют  углекислый газ, криптон и тритий. Проект, финансируемый Министерством энергетики США, стартовал 6 лет назад, а окончательный состав участников сформировался в 2009 году.

Исследования металлоорганических структур и их способности связывать йод получили широкое освещение в издании «Journal of the American Chemical Society» («Журнал Американского сообщества»). Авторами статьи стали Тина Ненофф и другие ученые, участвовавшие в проекте: Дорина Сава, Марк Родригез, Джеффри Гритхаус, Пол Крозье, Терри Гарино, Дэвид Рэдмахер, а также Питер Чупас, Грег Холдер и Карена Чапман из Аргонской лаборатории.

«Главным результатом проделанной работы стала разработка нового класса веществ, которые помогут оптимизировать процесс переработки ядерных отходов», – отмечает Дорина Сава.

По словам Ненофф, еще одна статья посвящена описанию процесса одношагового связывания летучего йода и его преобразования в остеклованную форму. Участники проекта продолжают работать над разработкой новых, оптимизированных металлоорганических каркасных структур, для выделения и улавливания летучих газов.

 «Мы доказали, что металлоорганические структуры обладают гораздо большей способностью связывать и удерживать радиоактивный йод, чем использующиеся в данный момент материалы», - подчеркивает Карена Чапман из Аргонской национальной лаборатории.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.nuclearpowerdaily.com/reports/Sandia_chemists_find_new_material_to_remove_radioactive_gas_from_spent_nuclear_fuel_999.html