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科學家借助拉曼光譜傳感器來加速乏核燃料的回收再利用

2021-05-18 14:47  來源:cnBeta.COM  瀏覽:  

為了減少放射性廢棄物、并讓核反應堆的運營更具經濟效益,美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)的科學家們,正在講究一套基于實時光譜檢測的新方法,以改善乏核燃料的回收利用。New Atlas 指出,核電最大的賣點之一,就是只需為反應堆提供極少的核燃料。一顆僅重 0.35 盎司(10 克)的核燃料顆粒,即可產出相當于一噸煤的能量。

乏燃料池資料圖(來自:美國核管理委員會)

然而當前核電的一個主要短板,就是乏燃料在“被耗盡”時,仍含有 95% 的可裂變物質,迫使有關部門必須建設一個能夠安全可靠地存儲它們的乏燃料池。

以美國為例,當地設置的標準是將乏燃料存儲在地下。但與許多人印象中的“永久埋藏”相反,這些設施并不能一勞永逸地處置完乏燃料,而是要將他們保留到可被再次利用。

主要原因是,乏燃料中仍在包含大量的可裂變元素(主要是鈾),以及醫學和工程界迫切需要的大量極具價值的放射性同位素。

乏燃料回收需借助化學處理系統來分離出 act 系元素

不過乏燃料的真正問題,是因為這堆復雜的混合物中包含了元素周期表中的一半元素,導致其分離工作變得異常艱難。

盡管核燃料加工行業已頗具技術規模,但當前不僅加工進度十分緩慢、價格也相當昂貴,更別提生產純钚(plutonium)危險性、以及面臨著核擴散等方面的問題。

慶幸的是,為改善回收流程,PNNL 正研究使用拉曼光譜儀(Raman Spectroscopy)來實時監測乏燃料。

使用基于不同激發波長的特定拉曼系統來識別乏燃料中的化學物質

PNNL 研究人員指出,當乏燃料在溶液中流經傳感器時,這套化學分析系統能夠利用光與分子中的化學鍵的相互作用,來獲得有關其化學結構、相態、多晶型、晶體結構、以及分子相互作用等信息。

基于這方面的數據,研究團隊得以監測工業級的乏燃料、將之轉化為液體形式、接著送至離心機,然后按質量分離出不同的元素。

實時監測能夠嚴格地控制鈾與钚之間的比率,并去除不需要的元素和同位素,以生產出能夠在高級反應堆中作為核燃料的循環材料。

研究配圖:拉曼光譜傳感器結構與功能示意

PNNL 化學家阿曼達·萊恩斯(Amanda Lines)表示,實時監測對于確定確切的化學元素比率至關重要。

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