Các nhà khoa học hạt nhân đang thực hiện nhiệm vụ giúp tạo ra một nền kinh tế tuần hoàn trong đó “chất thải” sẽ trở thành nguồn tài nguyên có ích. Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng có thể được tái chế và các nhà khoa học đang nỗ lực tìm hiểu xem bức xạ ảnh hưởng như thế nào đến quá trình tái chế này. Mục đích của các hoạt động này nhằm cải thiện quy trình tái chế và chiết xuất nhiều nguyên tố hóa học hữu ích hơn từ nhiên liệu.
Ngành công nghiệp hạt nhân luôn phải đối diện với thách thức mà các ngành công nghiệp khác hiếm khi gặp phải đó là bức xạ ion hóa. Phòng thí nghiệm Hạt nhân Quốc gia Vương quốc Anh (NNL), Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho (INL) ở Hoa Kỳ và Đại học Manchester ở Vương quốc Anh đã hợp tác nghiên cứu và làm sáng tỏ cách bức xạ ảnh hưởng đến một loại phân tử là axit acetohydroxamic (AHA). Công trình này đã được đăng trên Tạp chí ChemPhysChem. Tiến sĩ Dan Whittaker chủ trì nghiên cứu về Tái chế và Tách đồng vị nâng cao cho NNL cho biết: “Tác động của bức xạ lên dung môi được sử dụng để tách các đồng vị có ích khỏi nhiên liệu hạt nhân hòa tan thường khá nhỏ”. Các nhà nghiên cứu hiểu rằng các phản ứng hóa học khác như thủy phân tuy rất nhỏ, nhưng cần được hiểu rõ ở khía cạnh bức xạ hóa học nếu muốn hướng tới những kỹ thuật chiết xuất hiệu quả hơn. Bức xạ không có ảnh hưởng lớn đến tính chất hóa học của vật chất, nhưng cần đánh giá ở từng hóa chất mới để có thể chắc chắn rằng các kỹ thuật tái chế tiên tiến được phát triển chính xác.
Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa lên tính chất hóa học vật chất (Nguồn: Phòng thí nghiệm hạt nhân quốc gia Vương quốc Anh)
Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng chứa nhiều nguyên tố hóa học, một số nguyên tố đó có thể được chiết xuất và tái sử dụng để tạo ra nhiên liệu hạt nhân mới hoặc được sử dụng trong các ứng dụng khác. Ví dụ, trong y tế, đồng vị phóng xạ được sử dụng để điều trị bệnh, trong khi thám hiểm không gian, đồng vị phóng xạ được sử dụng để cung cấp năng lượng, máy thám hiểm và tàu thăm dò. Kỹ thuật tái chế nhiên liệu hạt nhân truyền thống đã được phát triển hơn nửa thế kỷ trước khi ngành công nghiệp hạt nhân còn sơ khai. Trong tương lai không xa, công nghệ cũ này có thể được thay thế bằng quy trình tái chế hiệu quả hơn, sử dụng những kỹ năng mà các nhà khoa học hạt nhân đã phát triển qua nhiều thập kỷ.
Trong kỹ thuật tái chế hạt nhân truyền thống, nhiên liệu đã qua sử dụng được hòa tan trong axit nitric, biến nó thành chất lỏng. Các kim loại được chọn sau đó được chiết ra khỏi dung dịch axit bằng hóa chất. Quá trình này hoạt động theo cách tương tự như xà phòng, trong đó một chất hóa học được gọi là chất hoạt động bề mặt bám vào một số kim loại nhất định, kéo chúng ra khỏi chất lỏng nước và chuyển sang chất lỏng nhờn. Các hóa chất và kim loại khác bị bỏ lại trong nước. Lý tưởng nhất là chỉ những kim loại cụ thể như urani mới được chiết xuất để tạo ra nhiên liệu mới nhưng những kim loại khác thường được chiết xuất cùng lúc nên đòi hỏi phải tinh chế thêm. Trong các công nghệ tái chế hạt nhân tiên tiến, các hóa chất bổ sung được thử nghiệm để cải thiện quy trình tái chế này. Một hóa chất được quan tâm là AHA, hay axit alpha hydroxy, sử dụng phổ biến trong y học để điều trị nhiễm trùng bàng quang. Hóa chất này có thể ngăn chặn việc chiết xuất neptuni và plutoni cùng với urani, nghĩa là cần ít bước tinh chế hơn để tạo ra nhiên liệu mới, nâng cao hiệu quả của quy trình. Sử dụng AHA trong quá trình chiết xuất cũng góp phần vào các thỏa thuận không phổ biến vũ khí hạt nhân quốc tế bằng cách cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn đối với các kim loại này.
Dự đoán mức độ ảnh hưởng của bức xạ ngay cả đối với các hóa chất đơn giản như nước và axit nitric cũng là thách thức. Bức xạ gây ra hàng trăm phản ứng hóa học trong chưa đầy một giây, khiến việc phát hiện chúng và xây dựng mô hình dự đoán chính xác trở nên khó khăn. Nghiên cứu mới do Tiến sĩ Jacy Conrad của INL dẫn đầu đã phát triển một mô hình cho AHA dự đoán chính xác vô số phản ứng này. Mô hình này cho chúng ta biết hiệu quả của hóa chất trong việc cải thiện quy trình tái chế nhiên liệu. Để xây dựng mô hình dựa trên việc tính toán tất cả các phản ứng hóa học, lần đầu tiên một số phản ứng phải được đo. Một kỹ thuật đặc biệt đã cung cấp một bức ảnh chụp nhanh về các phản ứng hóa học cực nhanh gây ra bởi sự hấp thụ bức xạ. Phối hợp với Cơ sở Máy gia tốc Điện tử Laser của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven ở Hoa Kỳ, các vụ nổ electron năng lượng cao cực kỳ nhanh và mạnh đã được sử dụng để mô phỏng các hiệu ứng bức xạ beta và gamma. Mặc dù các mảnh AHA được chiếu xạ có thể tiếp tục phản ứng, nhưng xung ~30 pico giây của chùm tia điện tử được tính thời gian trùng với các kỹ thuật phân tích nhanh để nắm bắt hành vi của các hóa chất tồn tại trong thời gian ngắn trong dung dịch. Sử dụng kiến thức hóa học chuyên môn về các phản ứng tạo ra các hóa chất tồn tại trong thời gian ngắn này, thu thập qua nhiều thập kỷ, tốc độ phản ứng cũng có thể đo được.
Tất cả các phản ứng có thể xảy ra, gần 200 phản ứng trong số đó, cùng với tốc độ phản ứng của chúng, đều được sử dụng để xây dựng mô hình dự đoán. Để đảm bảo mô hình là chính xác, nhiều nghiên cứu về bức xạ đã được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Hóa học Bức xạ của INL và Cơ sở Dalton Cumbrian của UoM. Sử dụng các nguồn bức xạ gamma, các nhà nghiên cứu đã theo dõi diễn biến của các phản ứng hóa học trong thời gian dài hơn. Các sản phẩm ổn định cuối cùng từ các phản ứng hóa học này đã được xác định. Nồng độ đo được của chúng khớp với các giá trị được mô hình tính toán, chứng tỏ rằng dự đoán của mô hình là chính xác.
Từ khóa: bức xạ; ion hóa; tách chiết; tái chế;
– CMD&DND –
