分子修饰可以改善乏核燃料的后处理

在研究人员找到一种改变分子结构以去除放射性物质的方法后，未来乏核燃料的后处理可能会变得更安全、更有效。

该研究发表在最近一期有影响力的《化学——欧洲期刊》(2020 年 1 月 7 日)上，并被该期刊的编辑描述为具有重要意义。

再加工操作

核能提供了一种清洁、低碳的电力来源，并且正在成为全球许多国家日益增长的能源供应的一部分。世界上大约 10% 的电力是由核能产生的。然而，核电站需要燃料来发电，随着时间的推移，这种燃料的效率会降低，大约五年后需要更换。

乏燃料仍然具有高放射性并产生大量热量。在进行再加工或处置之前，需要将其浸入 40 英尺以上水深的专业冷却池中。水提供对放射性的屏蔽，并不断冷却以带走燃料棒中的高温。

燃料棒需要一年多的时间才能冷却到可以对其进行后处理以去除铀和钚元素的程度，然后可以将其重新用作燃料。

然而，称为次锕系元素的镅、锔和镎元素仍然存在，并产生剩余乏燃料的大部分热量和放射性。此外，这些元素在大约 9000 年内仍保持高放射性，这使得乏燃料的长期储存和处置极难安全管理。

如果可以去除这些有害的放射性元素，它将显着提高核能的安全性和可持续性，因为剩余的乏燃料将在大约 300 年内保持放射性，这是一个更易于管理的时间框架。

修改分子

称为三嗪的分子能够以高度选择性的方式从乏核燃料中去除(或提取)这些有害元素，并且已为人所知一段时间。研究人员旨在找出修饰这些分子的某些部分如何影响它们在分子水平上结合和提取这些次要锕系元素的能力。获得的知识和见解可用于设计更好、更有效的分子，用于未来的乏核燃料后处理。

研究人员将已建立的基准分子中脂肪环的大小从 6 元环更改为 5 元环。他们发现，与基准分子相比，这种微小但微妙的变化对这些分子结合和提取次要锕系元素的效率产生了意想不到的影响。然后使用一系列实验技术在分子水平上确定了这些影响的确切原因。

诺森比亚大学应用科学系有机化学高级讲师弗兰克·刘易斯博士说：“这些发现意义重大，因为它们可以让更好的分子以更合理的方式设计出来，而不是简单地通过反复试验。

“我们通过调整这些分子的环状脂肪族部分获得的知识和见解可以为合理设计用于后处理乏核燃料的改进锕系元素选择性配体铺平道路。以不同的方式修改这些分子以改善它们的提取性能可以创造未来后处理效率更高，如果将来要在工业上使用，则可能是必不可少的。

“我们认为这些结果对核能领域非常重要，这一点已得到在发表前审查该论文的专家组的证实。”

重大成果

《 Chemistry A European Journal》的编辑团队写信给刘易斯博士和他的同事说：“根据审稿人的评价，这篇文章所报道的结果意义重大。只有不到 20% 的稿件得到了如此积极的评价。”该论文还被编辑选为“热门论文”，并在 Frontispiece 图形艺术作品中突出显示。