13/03/2012 - Kernbrennstoff - Ein neues Material verbessert die Aufnahme radioaktiver Jod

Menéame

Ein Forscherteam des Sandia National Laboratory (LNS) in den Vereinigten Staaten hat einen neuen Weg zur Erfassung und Speicherung von radioaktivem Jod eröffnet, einem gefährlichen Nebenprodukt der Kernenergie.

Das Team unter Leitung von Tina Nenoff, Forscherin der Gruppe der anorganischen Materialien Poröse Kristalle, hat kürzlich in der wissenschaftlichen Zeitschrift Journal of the American Chemical Society die Ergebnisse seiner Forschungsarbeiten über eine neue Nutzung der metallorganischen Strukturen (MOF) veröffentlicht. Nenoff zufolge würde dies dazu beitragen, den Teil des Prozesses der Verarbeitung von hochaktiven Abfällen in Kernkraftwerken zu verbessern, in dem der flüchtige Jod von den in abgebrannten Brennelementen enthaltenen Spaltprodukten wie Uran und Plutonium getrennt wird, so dass ein Teil davon wieder verwendet werden kann.

Diese Entwicklung ist nicht nur auf die Wiederaufarbeitung anwendbar, sondern hat auch das Potenzial, Sensoren zu erzeugen und sogar die Masken von Bedienern herzustellen, die auf einen radiologischen Unfall reagieren.

Los MOF Sie bestehen aus kristallinen Verbindungen, die aus einer oder mehreren metallischen Ionen bestehen, die mit organischen Molekülen "Linker" koordiniert werden, die poröse Strukturen von bis zu drei Dimensionen bilden. Je nach verwendetem Metall variiert Größe und Form der Poren, und man kann unterschiedliche Eigenschaften jedes MUF erhalten. So dienen sie beispielsweise, indem sie bestimmten Molekülen erlauben, ihre Poren je nach Größe zu durchdringen, zur Trennung von Gasen und auch zur Lagerung, indem sie sie an ihren 'Rahmen' binden, wie zum Beispiel Wasserstoff und Kohlendioxid und jetzt Jod.

Obwohl es kein Hauptbestandteil ist, ist die Handhabung von radioaktivem Jod ein entscheidender Aspekt, da es sich um ein sehr mobiles Gas mit sehr langer Lebensdauer handelt, da es mehr als 15 Millionen Jahre dauern kann, bis es seine Aktivität verringert.

Vor der Entwicklung dieses neuen Materials (genannt ZIF-8) fähig, ihn zu fangen, haben Forscher andere Alternativen untersucht, wie Zeoliten mit Silberkomponenten, die auch kristalline Materialien sind, porös und mit einer Struktur von regelmäßigen Öffnungen. Ihre hohe mechanische, thermische und chemische Stabilität macht sie zu sehr guten Kandidaten für diese Funktion; in der Tat ist eines der wichtigsten Produkte, die für die Absorption von Halogengasen wie Jod verwendet werden, Mordernit (MOR).

Zusätzlich dazu gibt es zahlreiche 'Rahmen', die das Jod aus einem Strom abgebrannter Brennelemente fangen und entfernen können, aber einen Silberzusatzstoff benötigen, um gut zu funktionieren. Insbesondere enthält die von BASF vermarktete Version von MOR 9 bis 15 Prozent davon. Der Nachteil liegt darin, dass Silber teuer ist und Umweltschäden verursachen kann.

"Der Trend in diesem Bereich besteht darin, Komponenten zu verwenden, die nicht nur effizienter und für den industriellen Einsatz geeignet sind, sondern auch geringere Umweltauswirkungen haben," so Emilio Minguez, Professor an der Abteilung Nukleartechnik an der Hochschule der Industrieingenieure an der Polytechnischen Universität Madrid (UPM), in Spanien.

Nenoff hat diesen Trend verfolgt, Materialien zu schaffen, die kein Silber enthalten, aber wie Zeoliten funktionieren und eine größere Fähigkeit haben als diese, die Gasmoleküle zu fangen. Um dies zu erreichen, haben die Wissenschaftler von Sandia die Art und Weise erforscht, wie Zeolith Jod absorbieren kann, und die "kritischen Komponenten" verwendet, die sie entdeckt haben, um die beste MUF für diese Funktion, das ZIF-8, zu entwickeln, das aufgrund der Größe seiner Poren, seiner breiten aktiven Oberfläche und seiner chemischen und thermischen Stabilität ausgewählt wurde.

Die Forscher haben verschiedene Techniken verwendet, darunter eine auf der hochauflösenden Röntgenbeugung basierende Methode, um festzustellen, an welchen Punkten die Bindung der Jodmoleküle innerhalb des ZIF-8 am günstigsten ist. In Kombination mit computer- und experimentellen Ansätzen hat das Sandia-Team einen Jodgasfluss (nicht radioaktiv in seinem Experiment) mit ZIF-8-Pulverproben in einer luftdicht versiegelten Absorptionskammer und unter den üblichen Bedingungen, unter denen die Wiederaufbereitung von Kraftstoff (77 °C und Umgebungsdruck) erfolgt, in Berührung gebracht. Zwischen 5 und 12 Stunden später war die maximale Aufnahmekapazität des Materials erreicht worden, und die Menge des gefangenen Jods erwies sich als die höchste, die bisher mit einer MOF-Struktur erreicht wurde.

In anderen früheren Studien war die Aufnahme reversibel und es wurden Gasverluste festgestellt, als der Prozess bei Raumtemperatur durchgeführt wurde. Das Nenoff-Team hat nun gezeigt, dass das Gas in der ZIF-8-Struktur gefangen bleibt, bis es Temperaturen von mehr als 300 °C erreicht, wenn der Rahmen zerfällt. Nachdem die 302 °C überschritten und die metallorganische Struktur zerstört worden war, wurde keine Freisetzung des in den Poren gefangenen Gases festgestellt. Tatsächlich glauben Forscher, dass das Ergebnis der Verwendung von ZIF-8 in eine stabile kristalline Form von Abfällen für die langfristige Lagerung integriert werden kann.

In einer früheren Studie, die in der wissenschaftlichen Zeitschrift Industrial and Engineering Chemistry Research veröffentlicht wurde, wurde die Synthese und Charakterisierung des Abfalls in Form von Verbundglas (GCM) untersucht, das den Jod enthielt, der mit einem MUF für die sichere Verkapselung von flüchtigen Gasen verbunden war. "Es stimmt, dass dieses Material besonders gut darin ist, Jod zu fangen," sagt Minguez. "Ihre Wirksamkeit liegt über vielen bestehenden Systemen, aber sie muss in der Umgebung getestet werden, in der sie in der Industrie außerhalb des Labors verwendet werden soll," so der Forscher.

Sandias Forscher stimmen darin überein, dass ZIF-8 noch in der Forschungsphase ist und dass ein echter radiologischer Test erforderlich ist, bei dem ein radioaktiver Jod enthaltender Gasstrom kontinuierlich über ein "Ballbett" der MOF fließt, um das Jod daraus zu entnehmen.

"In der tatsächlichen Aktivität sollte man nach einem Bruch der Scheide mit abgebrannten Brennelementen nach Möglichkeiten suchen, das radioaktive Gas in eine solche Matrix zu kanalisieren, damit Jod aufgenommen wird," so Minguez. Der UPM-Experte schätzt die Fähigkeit, flüchtiges Jodgas zu trennen und es in eine stabile Struktur zu fangen, und ist der Auffassung, dass seine vielversprechendste Anwendung im Bereich der Wiederaufarbeitung erfolgen würde. Minguez weist jedoch darauf hin, dass es nach wie vor Herausforderungen wie die selektive Trennung anderer Kraftstoffkomponenten gibt.

Das Team von Sandía hat gerade das ZIF-8-Patent eingereicht und hofft, dass es es bald in Form von " Kugeln" herstellen kann, die konsistenter und mit größerer nutzbarer Oberfläche als das weiße Pulver, das jetzt ist. Nenoff geht davon aus, dass Unternehmen, die sich weltweit mit der Wiederaufbereitung von Kraftstoffen befassen, und Unternehmen, die radiologische Sicherheitstechnologien entwickeln (z. B. Schutzmasken), künftig ihre wichtigsten Kunden sein könnten. "Der Preis wird sicherlich sinken, wenn die größenmäßige Herstellung für eine dieser Anwendungen gewährleistet wird," so Nenoff, der der Auffassung ist, dass er dem Basolite Z1200 ähnlich sein könnte, einer von BASF in Schüttung hergestellten MOF-Struktur.

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