桑迪亚化学家使用MOFs从核燃料中去除放射性气体

从乏核燃料中去除放射性碘

桑迪亚的化学家Tina Nenoff领导着一个研究小组,主要研究乏核燃料中放射性碘的去除。他们发现了一种金属-有机框架,可以捕获并保存挥发性气体,这一发现可用于核燃料再处理和其他应用。

由Sandia化学家组成的一个研究小组正在研究如何使核燃料再处理更清洁,并减少高放射性废料的数量。通过关注不能作为燃料燃烧的放射性成分,我们的目标是找到一种高度选择性分离的方法。使用金属-有机框架(财政部),它们能够捕获和清除乏燃料中的挥发性放射性气体。

阿尔伯克基,新墨西哥州——一组桑迪亚化学家的研究可能会影响全世界生产清洁、安全的核能和减少放射性废料的努力。

桑迪亚的化学家Tina Nenoff领导着一个研究小组,主要研究乏核燃料中放射性碘的去除。他们发现了一种金属-有机框架,可以捕获并保存挥发性气体,这一发现可用于核燃料再处理和其他应用。点击缩略图获得高分辨率图像。

Sandia的研究人员已经使用金属有机框架(MOFs)从乏核燃料中捕获并去除挥发性放射性气体。“这是使用MOF捕获碘的第一次尝试,”桑迪亚表面和界面科学部的化学家Tina Nenoff说。

该发现可应用于核燃料后处理或核反应堆事故的清理。核能的一个特点是,用过的燃料可以再处理,以回收可裂变材料,并为核电厂提供新的燃料。法国、俄罗斯和印度等国正在对乏燃料进行再加工。

这一过程还减少了高水平废物的数量,这是桑迪亚研究人员最关心的问题。“我们的目标是找到一种方法来进行高度选择性的分离,从而减少垃圾的掩埋,”Nenoff说。

再处理的部分挑战是分离和隔离不能作为燃料燃烧的放射性成分。桑迪亚研究小组专注于从乏燃料中去除碘,碘的同位素半衰期为1600万年。

他们研究了已知的材料,包括载银沸石,这是一种晶体状的多孔矿物,有规律的开孔,高比表面积,高机械、热和化学稳定性。各种沸石框架可以捕获和去除乏核燃料中的碘,但需要添加银才能发挥作用。

“银会吸引碘形成碘化银,”Nenoff说。沸石将银吸附在孔中,然后与碘发生反应,捕获碘化银。

但是银很贵,而且会带来环境问题,所以研究小组开始设计一种不含银的材料,这种材料可以像沸石一样工作,但对气体分子的吸收能力更高。他们探索了沸石吸收碘的原因和方式,并利用发现的关键成分找到了最佳的MOF,命名为ZIF-8。

“我们研究了它们的结构特性,并将其转化为新的改进材料,”Nenoff说。

MOFs是一种晶体状多孔材料,金属中心通过温和的自组装化学合成与有机分子结合。金属和有机的选择产生了一个非常具体的最终框架。

关键在于找到一种对碘具有高度选择性的MOF。Sandia的研究人员提取了沸石丝光沸石的最佳元素——它的孔隙、高比表面积、稳定性和化学吸收能力——并识别出一种MOF,它可以将一个分子(在这种情况下是碘)从一系列分子中分离出来。然后,MOF和孔隙捕获的碘气体可以被整合到玻璃废料中进行长期储存。

金属有机框架材料去除乏核燃料中的放射性气体

这张金属有机骨架图(MOF)显示了金属中心与有机分子的结合。每个财政部都有一个特定的框架,由金属和有机的选择决定。Sandia的化学家们发现了一种MOF,它的孔径大小和高表面积可以从乏燃料流中分离和捕获放射性碘分子。

桑迪亚团队还将商用产品制成的MOFs制成耐用的颗粒。制成的财政部是一种白色粉末,有被吹散的倾向。Nenoff说,这些颗粒提供了一种稳定的使用形式,不会损失表面积。

Sandia已经申请了颗粒技术的专利,该技术可能会有商业应用。

桑迪亚的研究人员是废气Sigma团队的一员,该团队由橡树岭国家实验室领导,研究与核燃料再处理相关的挥发性气体的废物捕获。太平洋西北、阿贡和爱达荷国家实验室的其他团队成员正在研究其他挥发性气体,如氪、氚和碳。

该项目始于6年前,西格玛团队于2009年正式成立。它是由美国能源部核能办公室资助的。

Sandia的碘和MOFs研究最近发表在《美国化学学会杂志》上的两篇文章中,作者是Nenoff和他的团队成员Dorina Sava, Mark Rodriguez, Jeffery Greathouse, Paul Crozier, Terry Garino, David Rademacher, Ben Cipiti, Haiqing Liu, Greg Halder, Peter Chupas和Karena Chapman。Chupas, Halder和Chapman来自Argonne。

“我们做的最重要的事情是引入了一种新的核废料修复材料,”萨瓦说,他是该项目的博士后任命人。

Nenoff说,最近在《工业与工程化学研究》上发表的另一篇论文显示,在低温玻璃废料中,MOFs与碘的一步合成过程。yabovip2021Nenoff说:“我们使用财政部收集挥发性废气,我们有一种持久的废物形式。”

Nenoff和她的同事们正在继续研究新的优化MOFs,以增强挥发性气体的分离和捕获。

“我们已经证明了MOFs有能力捕获,更重要的是,它保留的碘比目前的材料技术多很多倍,”Argonne的查普曼说。

图片:兰迪·蒙托亚;桑迪亚国家实验室

2的评论关于“桑迪亚化学家使用MOFs从核燃料中去除放射性气体”

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