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美国核电技术取得突破 可制备安全无放射性核燃料

核电

洛斯阿拉莫斯国家实验室宣布,美国人在核技术方面取得了突破。他们一改过往使用放射性的二氧化铀作为核燃料的方法,使用一种新的“燃烧合成”工艺,生产出安全的锕系核燃料。研究结果最近发表在《无机化学》杂志上

洛斯阿拉莫斯国家实验室研究人员说:“在目前的发电系统中,锕系氮化物燃料可能是一种更安全、更经济的选择。”

“氮化物燃料也非常适合未来第四代核动力系统,该系统注重安全,并具有可持续的封闭式反应堆燃料循环,”研究人员表示,“与氧化物相比,锕系氮化物具有更好的导热性,而且能量密度明显更高。”

锕系氮化物燃料能量密度高,可以用更少的材料获得更多的能量;同时其具备更好的导热性,使得其可以在较低温度下运行,让生产环境更安全,在异常情况下有更大的熔毁裕度。

之前的问题是,业界尚不具备大量、高纯度锕系氮化物的生产能力。锕系元素和镧系元素都在元素周期表的底部,制造锕系元素,通常先用镧系元素进行测试,因为它们的行为类似,但不具有放射性。

洛斯阿拉莫斯国家实验室和海军研究实验室的科学家发现,LnBTA{镧系双(四唑)胺}化合物可以通过燃烧合成的独特技术,燃烧生成高纯度的镧系氮化物泡沫。该方法利用激光脉冲引发脱水LnBTA配合物,然后在惰性气氛中进行自持燃烧反应,得到纳米结构的氮化镧泡沫。这项工作是由实验室指导的研究和发展计划(LDRD)资助的。

LnBTA化合物易于成批制备,其燃烧容易扩展。实验室的武器现代化和化学部门之间正在进行合作,以检查锕系氮化物燃料燃烧合成的锕系类似物。

关于锕系核燃料的制作,中国科学家在这方面亦有成效。

早前,中科院近代物理研究所嬗变化学研究室与瑞士保罗谢勒研究所合作,使用了一种传统溶胶凝胶方法的改进方法,在手套箱内制备包含有次锕系核素的新型核燃料小球。

所谓次锕系元素,是指乏燃料中除铀和钚之外的锕系元素,包括镎、镅、锔、锫、锎、锿和镄。

内溶胶凝胶方法是制备普通核燃料小球的最常用方法,该方法不仅需要复杂的设备,还会产生大量的二次有机放射性废液。另外,由于次锕系核素的衰变热效应以及辐射分解效应,传统的内溶胶凝胶方法并不适用于在手套箱内制备包含有次锕系核素的新型核燃料小球。

科研人员搭建了用于制备包含有次锕系核素核燃料小球的实验平台,并成功制备了粒径为500微米的模拟核燃料二氧化铈(CeO2)小球。该方法有效避免了次锕系核素的α和γ射线对凝胶剂的辐射分解,以及二次有机放射性废液的产生,该方法和实验平台可直接应用于ADS系统中再生核燃料小球的制备。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

[1]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-11/danl-ncp112420.php

[2]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.0c02480

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