Séparation de 85 Kr du combustible nucléaire usé par une structure organométallique hautement sélective. Crédit :Mike Gipple/NETL
L'énergie nucléaire fournit environ 20 pour cent de l'approvisionnement en électricité des États-Unis, et plus de la moitié de sa capacité de production sans carbone.
L'exploitation des réacteurs nucléaires commerciaux produit de petites quantités de combustible usé, qui, dans certains pays, est retraitée pour en extraire des matières pouvant être recyclées comme combustible dans d'autres réacteurs. La clé de l'amélioration de la rentabilité de ce cycle du combustible est la capture des produits radioactifs gazeux de la fission tels que 85 krypton.
Par conséquent, développer une technologie efficace pour capturer et sécuriser 85 le krypton du mélange d'effluents gazeux représenterait une amélioration significative de la gestion des combustibles nucléaires irradiés. Une voie prometteuse est l'adsorption de gaz dans un type avancé de matériau cristallin mou, charpentes organométalliques (MOF), qui ont une porosité extrêmement élevée et une énorme surface interne et peuvent incorporer une vaste gamme de composants organiques et inorganiques.
Les recherches récemment publiées par un groupe multidisciplinaire qui comprend des membres du Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires (NSE) du MIT représentent l'une des premières étapes vers l'application pratique des MOF pour la gestion du combustible nucléaire, avec de nouvelles découvertes sur l'efficacité et la résistance aux rayonnements, et un concept initial pour la mise en œuvre.
Un défi fondamental est que le mélange de gaz produit lors du retraitement du combustible est riche en oxygène et en azote, et les méthodes existantes ont tendance à les collecter ainsi que les quantités de krypton en partie par million qui représentent le risque le plus élevé. Cela réduit la pureté du produit collecté 85 Kr et augmente le volume de déchets. De plus, les méthodes existantes d'extraction du krypton reposent sur des procédés cryogéniques coûteux et complexes.
L'étude du groupe, publié dans la revue Communication Nature , évalué une série de MOF ultra-microporeux avec différents centres métalliques dont le zinc, cobalt, nickel, et le fer, et trouvé qu'un cristal contenant du cuivre, SIFSIX-Cu, a montré de bonnes promesses.
Pour exploiter sa combinaison favorable de stabilité aux rayonnements et d'adsorption sélective, tout en minimisant le volume de déchets, l'équipe a proposé un processus de traitement en deux étapes, dans lequel un lit initial du matériau est utilisé pour adsorber le xénon et le dioxyde de carbone du mélange gazeux effluent, après quoi le gaz est transféré vers un second lit qui adsorbe sélectivement le krypton mais pas l'azote ni l'oxygène.
« Si un jour on veut traiter les combustibles usés, qui aux États-Unis sont actuellement stockés dans des piscines et des fûts secs sur les sites des centrales nucléaires, nous devons gérer les radionucléides volatils. » explique Ju Li, Battelle Energy Alliance du MIT Professeur de science et d'ingénierie nucléaires et professeur de science et d'ingénierie des matériaux. "La physisorption du krypton et du xénon est une bonne approche, et nous étions très heureux de collaborer avec cette grande équipe sur l'approche MOF."
Les MOF ont été considérés comme une solution possible pour des applications dans de nombreux domaines, mais cette recherche marque la première étude systématique de leur applicabilité dans le secteur nucléaire, et l'efficacité de différents centres métalliques sur la stabilité du rayonnement MOF, note Sameh K. Elsaidi, chercheur au Laboratoire national de l'énergie et de la technologie du département de l'Énergie des États-Unis et auteur principal de l'article.
"Il y en a déjà plus de 60, 000 MOF différents, et plus sont développés chaque jour, donc il y a beaucoup de choix, " dit Elsaidi. " La sélection d'un pour 85 La séparation du Kr lors du retraitement repose sur plusieurs critères essentiels. Au cours de notre longue recherche de matériaux poreux pouvant répondre à ces critères, nous avons constaté qu'une classe de MOF microporeux appelée SIFSIX-3-M peut réduire efficacement le volume de déchets nucléaires en séparant 85 Kr sous forme plus pure des autres gaz non radioactifs. Cependant, afin d'être utile pour la séparation pratique de 85 Kr, ces matériaux doivent être résistants aux rayonnements dans des conditions de retraitement.
« Ceci est un premier aperçu des candidats qui peuvent répondre aux critères. Je me sens très chanceux de travailler avec Ju et [le postdoc MIT NSE Ahmed Sami Helal] alors que nous commençons à évaluer si ces matériaux peuvent être utilisés dans le monde réel. Ce projet était un très bon exemple de la façon dont le travail collaboratif peut conduire à une meilleure compréhension fondamentale, et il y a beaucoup sur la route que nous pouvons faire ensemble, " ajoute Elsaïdi.
Notes de Helal, « Étudier l'effet des rayonnements ionisants de haute énergie, y compris les rayons et les rayons , sur la stabilité des MOF est un facteur très important pour déterminer si les MOF peuvent être utilisés pour la capture des gaz de fission du combustible irradié. Ce travail est le premier à étudier la stabilité radiolytique des MOF à des doses de rayonnement pertinentes pour la séparation pratique du Xe/Kr dans les usines de retraitement du combustible. »
Développer un processus d'adsorption pratique est une tâche complexe, nécessitant des capacités de plusieurs disciplines, y compris le génie chimique, la science des matériaux, et le génie nucléaire. The research leveraged several specialized Institute resources, 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.
Ces efforts, 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.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
