Un réacteur nucléaire typique n'utilise qu'une petite fraction de sa barre de combustible pour produire de l'électricité avant que la réaction génératrice d'énergie ne se termine naturellement. Ce qui reste, c'est un assortiment d'éléments radioactifs, y compris le carburant non utilisé, qui sont éliminés en tant que déchets nucléaires aux États-Unis. Si certains éléments recyclés à partir de déchets peuvent être utilisés pour alimenter de nouvelles générations de réacteurs nucléaires, extraire les restes de carburant d'une manière qui empêche une éventuelle mauvaise utilisation est un défi permanent.

Maintenant, Des chercheurs en ingénierie de la Texas A&M University ont mis au point un approche résistante à la prolifération pour séparer les différents composants des déchets nucléaires. La réaction chimique en une étape, décrit dans le numéro de février de la revue Recherche en chimie industrielle et technique , entraîne la formation de cristaux contenant tous les éléments de combustible nucléaire restants répartis uniformément.

Les chercheurs ont également noté que la simplicité de leur approche de recyclage rend possible la traduction de la paillasse de laboratoire à l'industrie.

"Notre stratégie de recyclage peut être facilement intégrée dans un schéma de procédé chimique pour une mise en œuvre à l'échelle industrielle, " dit Johnathan Burns, chercheur au Centre d'ingénierie et de science nucléaire de la Texas A&M Engineering Experiment Station. "En d'autres termes, la réaction peut être répétée plusieurs fois pour maximiser le rendement de récupération du combustible et réduire davantage les déchets nucléaires radioactifs."

La base de la production d'énergie dans les réacteurs nucléaires est la fission thermonucléaire. Dans cette réaction, un noyau lourd, généralement de l'uranium, lorsqu'il est frappé par des particules subatomiques appelées neutrons, devient instable et se déchire en plus petits, éléments plus légers. Cependant, l'uranium peut absorber les neutrons et s'alourdir progressivement pour former des éléments comme le neptunium, plutonium et américium, avant de se séparer à nouveau et de libérer de l'énergie.

Heures supplémentaires, ces réactions de fission conduisent à une accumulation d'éléments plus légers dans le réacteur nucléaire. Mais environ la moitié de ces produits de fission sont considérés comme des poisons neutroniques - ils absorbent également les neutrons tout comme le combustible nucléaire irradié, en laissant moins pour la réaction de fission, en fin de compte, arrêtant la production d'énergie.

D'où, les crayons combustibles usés contiennent des produits de fission, des restes d'uranium et de petites quantités de plutonium, neptunium et américium. Actuellement, ces éléments sont collectivement considérés comme des déchets nucléaires aux États-Unis et sont destinés à être stockés dans des dépôts souterrains en raison de leur forte radioactivité.

« Les déchets nucléaires sont un problème à deux volets, " Burns a dit. " D'abord, près de 95% de la matière première du carburant est laissée inutilisée, et deuxieme, les déchets que nous produisons contiennent des déchets à vie longue, éléments radioactifs. Neptunium et américium, par exemple, peut persister et rayonner jusqu'à des centaines de milliers d'années."

Les scientifiques ont réussi à séparer l'uranium, plutonium et neptunium. Cependant, ces méthodes ont été très complexes et ont eu un succès limité pour séparer l'américium. Par ailleurs, Burns a déclaré que le département américain de l'Énergie exige que la stratégie de recyclage soit résistante à la prolifération, ce qui signifie que le plutonium, qui peut être utilisé dans les armes, ne doivent jamais être séparés des autres éléments combustibles nucléaires au cours du processus de recyclage.

Pour répondre aux besoins non satisfaits du recyclage des déchets nucléaires, les chercheurs ont cherché à savoir s'il y avait une réaction chimique simple qui pourrait séparer tous les éléments chimiques souhaitables du combustible nucléaire irradié.

D'après des études antérieures, les chercheurs savaient qu'à température ambiante, l'uranium forme des cristaux dans l'acide nitrique fort. Au sein de ces cristaux, les atomes d'uranium sont disposés selon un profil unique :un atome d'uranium central est pris en sandwich entre deux atomes d'oxygène de chaque côté en partageant six électrons avec chaque atome d'oxygène.

"Nous avons tout de suite compris que cette structure cristalline pouvait être un moyen de séparer le plutonium, le neptunium et l'américium puisque tous ces éléments lourds appartiennent à la même famille que l'uranium, ", a déclaré Burns.

Les chercheurs ont émis l'hypothèse que si le plutonium, le neptunium et l'américium assumaient une structure de liaison avec l'oxygène similaire à celle de l'uranium, alors ces éléments s'intégreraient dans le cristal d'uranium.

Pour leurs expériences, ils ont préparé une solution de substitution d'uranium, plutonium, le neptunium et l'américium dans de l'acide nitrique hautement concentré à 60-90 degrés Celsius pour imiter la dissolution d'un véritable crayon combustible dans l'acide fort. Ils ont trouvé lorsque la solution a atteint la température ambiante, comme prédit, cet uranium, neptunium, le plutonium et l'américium séparés de la solution ensemble, se répartissant uniformément dans les cristaux.

Burns a noté que cela simplifié, le procédé en une seule étape est également résistant à la prolifération puisque le plutonium n'est pas isolé mais incorporé dans les cristaux d'uranium.

"L'idée est que le combustible retraité généré par notre réaction chimique prescrite puisse être utilisé dans les futures générations de réacteurs, qui brûlerait non seulement de l'uranium comme la plupart des réacteurs actuels mais aussi d'autres éléments lourds comme le neptunium, plutonium et américium, " Burns a déclaré. " En plus de résoudre le problème du recyclage du combustible et de réduire le risque de prolifération, notre stratégie réduira considérablement les déchets nucléaires aux seuls produits de fission dont la radioactivité est de centaines plutôt que de centaines de milliers d'années. »