Los investigadores están investigando un nuevo material que podría ayudar en el reciclaje de combustible nuclear y la reducción de desechos mediante la captura de ciertos gases liberados durante el reprocesamiento. Las tecnologías convencionales para eliminar estos gases radiactivos operan a temperaturas extremadamente bajas e intensivas en energía. Al trabajar a temperatura ambiente, elel nuevo material tiene el potencial de ahorrar energía, hacer que el reprocesamiento sea más limpio y menos costoso. Los materiales recuperados también pueden reutilizarse comercialmente.
apareciendo en Comunicaciones de la naturaleza , el trabajo es una colaboración entre experimentadores y modeladores informáticos que exploran las características de los materiales conocidos como marcos organometálicos.
"Este es un gran ejemplo de descubrimiento de material inspirado en la computadora", dijo el científico de materiales Praveen Thallapally del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía. "Por lo general, los resultados experimentales son más realistas que los computacionales. Esta vez, el modelado por computadora mostróalgo que los experimentos no nos estaban diciendo "
Evitar desperdicios
Reciclar combustible nuclear puede reutilizar uranio y plutonio, la mayoría del combustible usado, que de otro modo se destinaría a los desechos. Los investigadores están explorando tecnologías que permitan el reciclaje seguro, eficiente y confiable de combustible nuclear para su uso en el futuro.
Una colaboración internacional multiinstitucional está estudiando materiales para reemplazar los costosos e ineficientes pasos de reciclaje. Un paso importante es la recolección de gases radioactivos xenón y criptón, que surgen durante el reprocesamiento. Para capturar xenón y criptón, las tecnologías convencionales utilizan métodos criogénicos en los quelas corrientes de gas se llevan a una temperatura muy por debajo de donde el agua se congela, tales métodos son intensivos en energía y costosos.
Thallapally, en colaboración con Maciej Haranczyk y Berend Smit del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y otros, ha estado estudiando materiales llamados marcos metálicos orgánicos, también conocidos como MOF, que podrían atrapar el xenón y el criptón sin tener que usar criogénicos.
Estos materiales tienen poros pequeños en el interior, tan pequeños que a menudo solo una molécula puede caber dentro de cada poro. Cuando una especie de gas tiene una mayor afinidad por las paredes de los poros que otras especies de gas, se pueden usar estructuras de metal orgánico para separar los gasesmezclas por adsorción selectiva.
Para encontrar el mejor MOF para la separación de xenón y criptón, los químicos computacionales dirigidos por Haranczyk y Smit seleccionaron 125,000 MOF posibles por su capacidad de atrapar los gases. Aunque estos gases pueden venir en variedades radiactivas, son parte de un grupo de productos químicamente inerteselementos llamados "gases nobles". El equipo usó recursos informáticos en NERSC, el Centro Nacional de Investigación Científica de Energía e Ingeniería, un Centro de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en LBNL.
"Identificar el material óptimo para un proceso dado, de miles de estructuras posibles, es un desafío debido a la gran cantidad de materiales. Dado que la caracterización de cada material puede tomar hasta unas pocas horas de simulaciones, el examen completoel proceso puede llenar una supercomputadora durante semanas ", dijo Haranczyk." En cambio, desarrollamos un enfoque para evaluar el rendimiento de los materiales en función de sus características fácilmente calculables. En este caso, fueron necesarias siete características diferentes para predecir cómo se comportaron los materiales, y nuestroLa aplicación de las técnicas de aprendizaje automático de Cory Simon, estudiante de posgrado del equipo, aceleró en gran medida el proceso de descubrimiento de materiales al eliminar aquellos que no cumplían con los criterios ".
Los modelos del equipo identificaron el MOF que atrapó al xenón de forma más selectiva y tenía un tamaño de poro cercano al tamaño de un átomo de xenón: SBMOF-1, que luego probaron en el laboratorio en PNNL.
Después de optimizar la preparación de SBMOF-1, Thallapally y su equipo en PNNL probaron el material haciendo pasar una mezcla de gases a través de él, incluida una forma no radiactiva de xenón y criptón, y midiendo lo que salió del otro extremoEl oxígeno, el helio, el nitrógeno, el criptón y el dióxido de carbono superan al xenón. Esto indica que el xenón queda atrapado dentro de los poros del SBMOF-1 hasta que el gas satura el material.
Otras pruebas también mostraron que, en ausencia de xenón, el SBMOF-1 captura el criptón. Durante las separaciones reales, los operadores pasarían las corrientes de gas a través del SBMOF-1 dos veces para capturar ambos gases.
El equipo también probó la capacidad del SBMOF-1 para aferrarse al xenón en condiciones de alta humedad. La humedad interfiere con los agentes criogénicos, y los gases deben deshidratarse antes de someterlos al método ultra frío, otro gasto que consume mucho tiempo. SBMOF-1,sin embargo, tuvo un desempeño admirable, reteniendo más del 85 por ciento de la cantidad de xenón en alta humedad como lo hizo en condiciones secas.
El último paso para recolectar gas xenón o criptón sería colocar el material MOF al vacío, que aspira el gas de las jaulas moleculares para un almacenamiento seguro. Una última prueba de laboratorio examinó la estabilidad del material llenándolo repetidamente.con gas xenón y luego aspirando el xenón. Después de 10 ciclos de esto, SBMOF-1 recolectó tanto xenón como el primer ciclo, lo que indica un alto grado de estabilidad para el uso a largo plazo.
Thallapally atribuye esta estabilidad a la forma en que SBMOF-1 interactúa con el xenón. En lugar de las reacciones químicas entre las jaulas moleculares y los gases, la relación es puramente física. El material puede durar mucho más sin pasar constantemente por reacciones químicas,él dijo.
Un hallazgo modelo
Aunque los investigadores mostraron que SBMOF-1 es un buen candidato para el reprocesamiento de combustible nuclear, obtener estos resultados no fue fácil. En el laboratorio, los investigadores habían seguido un protocolo previamente elaborado de la Universidad Stony Brook para preparar SBMOF-1Parte de ese protocolo requiere que "activen" el SBMOF-1 calentándolo hasta 300 grados Celsius, tres veces la temperatura del agua hirviendo.
La activación limpia el material que queda en los poros de la síntesis de MOF. Sin embargo, las pruebas de laboratorio del SBMOF-1 activado mostraron que el material no se comportó tan bien como debería, según los resultados del modelado por computadora.
Los investigadores de PNNL repitieron los experimentos de laboratorio. Esta vez, sin embargo, activaron SBMOF-1 a una temperatura más baja, 100 grados Celsius, o la temperatura real del agua hirviendo. Sometiendo el material a las mismas pruebas de laboratorio, los investigadores encontraronSBMOF-1 se comporta como se esperaba y mejor que a la temperatura de activación más alta.
¿Pero por qué? Para averiguar de dónde vino la discrepancia, los investigadores modelaron lo que sucedió con SBMOF-1 a 300 grados Celsius. Inesperadamente, los poros se apretaron sobre sí mismos.
"Cuando calentamos el cristal a esa altura, los átomos dentro del poro se inclinaron y bloquearon parcialmente los poros", dijo Thallapally. "El xenón no encaja".
Armados con estos nuevos conocimientos computacionales y experimentales, los investigadores pueden explorar SBMOF-1 y otros MOF para el reciclaje de combustible nuclear. Estos MOF también podrían capturar otros gases nobles como el radón, un gas que se acumula en algunos sótanos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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