Tại Hoa Kỳ, một lò phản ứng hạt nhân điển hình chỉ sử dụng một phần nhỏ thanh nhiên liệu của nó để tạo ra năng lượng trước khi phản ứng tạo ra năng lượng tự nhiên chấm dứt. Những gì còn lại phía sau là một loạt các nguyên tố phóng xạ, bao gồm cả nhiên liệu chưa dùng đến, được xử lý như chất thải hạt nhân.

Mặc dù các yếu tố nhất định được tái chế từ chất thải có thể được sử dụng tiếp để tạo ra năng lượng cho các thế hệ lò phản ứng hạt nhân mới hơn, tuy nhiên, việc trích xuất nhiên liệu còn sót lại theo cách có thể ngăn chặn việc lạm dụng là một thách thức lớn đang diễn ra.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu kỹ thuật Trường Đại học Texas A&M đã nghĩ ra một cách tiếp cận chống tăng sinh, đơn giản, để phân tách các thành phần khác nhau của chất thải hạt nhân. Phản ứng hóa học một bước, được mô tả chi tiết trên tạp chí Industrial & Engineering Chemistry Research tháng hai, dẫn đến sự hình thành các tinh thể chứa tất cả các nguyên tố nhiên liệu hạt nhân còn sót lại được phân phối đồng nhất.

Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng sự đơn giản hóa của cách tiếp cận tái chế của họ sẽ tạo ra sự chuyển dịch từ “bàn thí nghiệm” sang ứng dụng cho ngành công nghiệp đầy khả thi.

“Chiến lược tái chế của chúng tôi có thể dễ dàng tích hợp vào một bảng lưu lượng hóa học để thực hiện ở quy mô công nghiệp. Nói cách khác, phản ứng có thể được lặp lại nhiều lần để tối đa hóa hiệu suất tái chế nhiên liệu và giảm thiểu chất thải hạt nhân phóng xạ”, Johnathan Burns, nhà nghiên cứu khoa học tại Trung tâm khoa học và kỹ thuật hạt nhân của Trạm thí nghiệm kỹ thuật A&M Texas cho biết.

Nền tảng sản sinh năng lượng trong các lò phản ứng hạt nhân là phân hạch và nhiệt hạch. Trong phản ứng này, một hạt nhân nặng, thường là urani, khi va chạm với các hạt hạ nguyên tử có tên gọi là neutron, trở nên không ổn định và phân tách thành các nguyên tố nhỏ hơn, nhẹ hơn. Tuy nhiên, uranium có thể hấp thụ neutron và ngày càng nặng hơn để tạo thành các nguyên tố như neptunium, plutonium và americaium, trước khi phân tách một lần nữa và giải phóng năng lượng.

Theo thời gian, các phản ứng phân hạch này dẫn đến sự tích tụ các nguyên tố nhẹ hơn trong lò phản ứng hạt nhân. Nhưng khoảng một nửa trong số các sản phẩm phân hạch này được coi là các chất độc neutron - chúng cũng hấp thụ neutron giống như nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng, để lại vài phản ứng phân hạch, cuối cùng làm cho quá trình sản sinh năng lượng ngưng lại.

Vì thế các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng vẫn còn chứa lại các sản phẩm phân hạch, urani còn sót lại và một lượng nhỏ plutoni, neptunium và americium. Hiện tại, các mặt sản phẩm này được coi là chất thải hạt nhân ở Hoa Kỳ và được trù định chất vào trong các kho lưu trữ dưới lòng đất vì tính phóng xạ của chúng cao.

Johnathan Burns cho biết, chất thải hạt nhân là một vấn đề hai mặt. Thứ nhất, gần như 95% nguyên liệu ban đầu của nhiên liệu không được sử dụng hết, và thứ hai, chất thải chúng tạo ra có chứa các nguyên tố phóng xạ tồn tại lâu dài. Chẳng hạn, neptunium and americium có thể tồn tại và phát xạ tới hàng trăm ngàn năm.

Mặc dù các nhà khoa học đã có một số thành công với việc tách uranium, plutonium và neptunium. Tuy nhiên, những phương pháp phân tách này rất phức tạp và khó đạt thành công trong tách americium. Hơn nữa, Burns cho biết, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ yêu cầu chiến lược tái chế phải có khả năng chống tăng sinh, nghĩa là plutonium không bao giờ được tách khỏi các yếu tố nhiên liệu hạt nhân khác trong quá trình tái chế.

Để giải quyết các yêu cầu chưa được đáp ứng trong tái chế chất thải hạt nhân, các nhà nghiên cứu đã điều tra xem xét liệu có phản ứng hóa học đơn giản nào có thể tách rời tất cả các nguyên tố hóa học nhiên liệu hạt nhân.

Từ các nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu biết rằng ở nhiệt độ phòng, uranium hình thành các tinh thể trong axit nitric mạnh. Trong các tinh thể này, các nguyên tử urani được sắp xếp theo cấu hình độc nhất. Một nguyên tử urani trung tâm được kẹp giữa hai nguyên tử oxy ở hai bên, phân chia sáu electron với mỗi nguyên tử oxy.

“Chúng tôi ngay lập tức nhận ra rằng cấu trúc tinh thể này có thể là một cách để phân tách plutoni, neptunium và americium bởi vì tất cả các nguyên tố nặng này thuộc cùng một họ với uranium”, Burns cho biết.

Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng nếu plutonium, neptunium và americaium có cấu trúc liên kết với oxy tương tự như uranium, thì các nguyên tố này sẽ tự chúng tích hợp vào tinh thể uranium.

Trong các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu, họ đã điều chế một dung dịch thay thế uranium, plutonium, neptunium và americaium trong axit nitric có độ đậm đặc cao ở 60-90 độ C để bắt chước sự hòa tan của thanh nhiên liệu thực trong axit mạnh. Đúng như dự đoán, họ nhận thấy khi dung dịch này đạt đến mức nhiệt độ phòng, uranium, neptunium, plutonium và america sẽ phân tách ra khỏi dung dịch cùng nhau, tự chúng phân bố đồng nhất trong các tinh thể.

Burns lưu ý rằng quá trình đơn giản, một bước này cũng có khả năng chống tăng sinh bởi vì plutoni không bị cô lập mà được kết hợp trong các tinh thể uranium.

“Ý tưởng tái xử lý nhiên liệu sinh ra từ phản ứng hóa học này có thể được sử dụng trong các thế hệ lò phản ứng trong tương lai, nó sẽ không chỉ đốt cháy uranium như hầu hết các lò phản ứng ngày nay mà còn cả các nguyên tố nặng khác như neptunium, plutonium và americium. Ngoài việc giải quyết vấn đề tái chế nhiên liệu và giảm thiểu rủi ro, chiến lược này sẽ giảm đáng kể chất thải hạt nhân”, Burns nhấn mạnh.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2020-05-reveals-single-step-strategy-recycling-nuclear.html, 4/5/2020