Mặc dù cung cấp nguồn năng lượng ổn định và ít carbon, nhưng việc sử dụng điện hạt nhân có nguy cơ suy giảm do chi phí vốn đầu tư cao và thời gian hoàn vốn đầu tư dài. Tận dụng sản xuất các hóa chất có giá trị từ nguyên liệu đầu vào từ nguồn thải sinh khối có thể có lợi ích lớn không kém gì việc sản xuất điện. Điển hình như sản xuất methanol hoặc acetaldehyde có chọn lọc từ ethylene glycol, một nguyên liệu đầu vào có nguồn gốc từ glycerol, sản phẩm phụ của biodiesel, bằng cách sử dụng chiếu xạ từ lò phản ứng hạt nhân. Ảnh hưởng của chất lượng bức xạ, tỷ lệ liều lượng và liều hấp thụ của các bức xạ đối với sản lượng hóa chất phóng xạ (giá trị G) đã được chứng minh từ nhiều năm trước. Trong quá trình phân hủy phóng xạ chỉ bằng γ ở tỷ lệ liều lượng thấp khi dừng lò phản ứng (<0,018 kGy/phút), acetaldehyde được sản xuất ở giá trị G tối đa là 8,28 ± 1,05 μmol/J và năng suất khối lượng là 0,73 ± 0,06% từ quá trình chiếu xạ 20 kGy của ethylene glycol nguyên chất. Khi tiếp xúc với liều lượng cao (6,5 kGy/phút), trường hỗn hợp 100 kGy của bức xạ neutron + tia γ, độ chọn lọc phóng xạ được điều chỉnh từ acetaldehyde để tạo ra methanol ở giá trị G là 2,91 ± 0,78 μmol/J và năng suất khối lượng là 0,93 ± 0,23%. Đáng chú ý, hệ thống lý thuyết đóng góp vào 4,96% sản lượng acetaldehyde trên toàn thế giới bằng cách sử dụng sơ đồ tia γ của bể nhiên liệu đã qua sử dụng.
Điện hạt nhân là nguồn điện ít carbon (12 gCO2-eq/kWh), chỉ đứng sau điện gió ở mức 11 gCO2-eq/kWh. Mặc dù vậy, chi phí vốn cao và lợi tức đầu tư chậm hơn liên quan đến các nhà máy điện hạt nhân đã dẫn đến sự suy giảm tương đối trong sản lượng điện hạt nhân toàn cầu từ 17% vào năm 2000 xuống còn 10% vào năm 2021. Các đánh giá kinh tế kỹ thuật đã chỉ ra rằng sản xuất các hóa chất có giá trị cao hơn từ nguồn bức xạ trong các nhà máy điện hạt nhân có thể làm tăng triển vọng kinh tế của điện hạt nhân mà không ảnh hưởng tiêu cực đến sản lượng điện. Các hệ thống điện hạt nhân Gen-IV trong tương lai khi được lên kế hoạch kết hợp sản xuất khí hydro cùng với điện, người ta đã chỉ ra rằng giá trị của khí hydro mang lại lợi ích tài chính không đáng kể. Các sản phẩm đồng sản xuất hóa học như propylen từ propan được đề xuất để cải thiện tỷ lệ hoàn vốn nội bộ (IRR) của khoản đầu tư cho nhà máy điện hạt nhân lên khoảng 8%. Tuy nhiên, việc khai thác năng lượng chưa được sử dụng hết có sẵn trong lò phản ứng hạt nhân từ các quá trình hạt nhân để khởi tạo các phản ứng hóa học hướng bức xạ có thể tạo ra các ứng dụng có lợi nhuận và hữu ích hơn trong tổng hợp hóa học mà không cần các quy trình tốn nhiều năng lượng và chất xúc tác thông thường. Ngoài ra, việc tập trung nhiều hơn vào nguyên liệu có nguồn gốc sinh học để tạo ra các hóa chất có giá trị gia tăng có thể làm giảm sự phụ thuộc vào những gì có thể là nguyên liệu hóa dầu.
Một trong những nguyên liệu hóa học có nguồn gốc sinh học như vậy, glycerol tinh chế, đáng chú ý về tính bền vững do dư thừa sản xuất toàn cầu (khoảng 500.000 kt/năm) hiện đang hướng đến các ứng dụng có giá trị thấp như đốt và thức ăn chăn nuôi. Glycerol có tiềm năng là hóa chất nền tảng nguồn gốc sinh học để tổng hợp các hóa chất có giá trị, chẳng hạn như glycerol cacbonat, epichlorohydrin và solketal. Ngoài ra, glycerol có thể được chuyển đổi thành ethylene glycol thông qua các quá trình hydro thông lượng cao, mở rộng phạm vi cho các sản phẩm tổng hợp bằng phương pháp phóng xạ có nguồn gốc từ glycerol tái tạo. Hai sản phẩm có giá trị có thể thu được từ glycerol là acetaldehyde và methanol. Acetaldehyde được tạo ra trong công nghiệp từ ethylene có nguồn gốc từ dầu mỏ thông qua quy trình Wacker sử dụng chất xúc tác paladi đắt tiền với công suất sản xuất trên toàn thế giới là ∼1,3×106 tấn mỗi năm tính đến năm 2021. Acetaldehyde là hóa chất nền tảng quan trọng để sản xuất axit peracetic, bazơ pyridine và pentaerythritol. Methanol hiện đang được tổng hợp từ khí tự nhiên thông qua các quy trình hơi nước, góp phần vào công suất sản xuất trên toàn thế giới là ∼1,1×108 tấn mỗi năm. Mặc dù quá trình sản xuất phóng xạ không cần chất xúc tác của các hợp chất này từ ethylene glycol, người ta vẫn chưa xem xét nhiều đến việc tối ưu hóa việc triển khai công nghiệp phản ứng để tổng hợp phóng xạ.
Năng suất hóa phóng xạ hoặc giá trị G đã được biết đến trong các nghiên cứu về phân hủy phóng xạ để đánh giá hiệu quả của quá trình chuyển đổi phân hủy phóng xạ thành các phản ứng hoặc các sản phẩm phân tử. Theo truyền thống, giá trị G được biểu thị theo đơn vị 100 phân tử trên eV (100 eV–1), nhưng quy ước đơn vị SI hiện đại áp dụng là micromol trên joule (μmol/J). Hệ số chuyển đổi giữa các đơn vị này là 1 phân tử trên 100 eV thành 0,1036 μmol/J. Điều quan trọng là nhiều báo cáo trích dẫn giá trị G của sản phẩm phân hủy phóng xạ từ các chất hữu cơ trong các mẫu nước pha loãng mạnh được chiếu xạ với liều hấp thụ nhỏ hoặc gần bằng không (thường là <1 kGy), do đó tạo ra nồng độ sản phẩm nhỏ tỷ lệ thuận với toàn bộ mẫu được chiếu xạ. Nếu các điều kiện như vậy được xem xét trong công nghiệp, khối lượng lớn môi trường phản ứng sẽ cần được tái chế và xử lý, điều này sẽ gây lãng phí và tốn kém. Sử dụng liều lượng lớn và nồng độ cao cho thấy trường hợp thực tế hơn về năng suất và sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn. Vì giá trị G của sản phẩm giảm khi tăng liều hấp thụ đối với hầu hết các hệ thống hữu cơ và đặc biệt đối với quá trình phân hủy phóng xạ etylen glycol. Ngoài ra, việc xem xét một phép đo hóa học như năng suất khối lượng, là bối cảnh thiết yếu cho bất kỳ quá trình phân hủy phóng xạ nào được triển khai trong công nghiệp, đặc biệt là các quá trình phân hủy phóng xạ bị giới hạn bởi tốc độ năng lượng đầu vào, quyết định động học xúc tác và phản ứng.
Các nghiên cứu trước đây về etylen glycol đã sắp xếp lại chuỗi gốc để tổng hợp acetaldehyde, sử dụng mẫu pha loãng (<6,2% wt %) và liều thấp (∼0,8 kGy). Các nghiên cứu mô tả phản ứng sắp xếp lại báo cáo giá trị G đáng chú ý lớn hơn 18 μmol/J nhưng lại bỏ qua việc xem xét chuyển đổi tài nguyên, dẫn đến giá trị năng suất khối lượng thấp khoảng ∼0,006%. Một số công trình tuyên bố rằng giá trị G của acetaldehyde có thể đạt khoảng ∼20.700 μmol/J đối với điều kiện liều thấp, tốc độ liều thấp (1,6 kGy ở 6,6 Gy/phút). Tuy nhiên, những tuyên bố này dựa trên các phép đo gián tiếp acetaldehyde và các giá trị G cực lớn này vẫn chưa được tái tạo. Tài liệu về phân hủy phóng xạ etylen glycol bao gồm báo cáo về ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp metanol với giá trị G là 0,56 và 0,72 μmol/J ở 0 và 60 °C. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ này đối với quá trình sản xuất metanol cho thấy sự phân mảnh của các liên kết C–C yếu trong thang thời gian phản ứng vật lý chính (<10–15 giây) phụ thuộc vào nhiệt độ. Người ta dự đoán rằng quá trình này sẽ được thúc đẩy bởi các phép chiếu xạ có liều lượng cao hơn và các giá trị truyền năng lượng tuyến tính (LET) cao hơn, đây là lượng năng lượng trung bình bị mất trên mỗi đơn vị chiều dài đường đi khi một hạt tích điện di chuyển qua môi trường. Mặt khác, chiếu xạ có LET thấp và liều lượng thấp đối với các mẫu cô đặc sẽ thúc đẩy quá trình acetaldehyde.
Một số nghiên cứu đã khám phá việc chiếu xạ các mẫu etylen glycol cô đặc với liều hấp thụ lớn (khoảng 100 kGy) ưu tiên chuyển đổi nguyên liệu đầu vào. Ngoài ra, một số nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy bức xạ ion hóa có năng suất cao, LET (truyền năng lượng tuyến tính) cao từ lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động để phân hủy etylen glycol bằng bức xạ. Hai sản phẩm chính của acetaldehyde hoặc methanol có thể được tổng hợp theo ý muốn, tùy thuộc vào các điều kiện chiếu xạ. Hệ thống sản xuất sản phẩm từ lò phản ứng nước áp suất (PWR) đưa ra tùy chọn chiếu xạ các chất hữu cơ bằng trường hỗn hợp (neutron + tia γ) sử dụng bức xạ trực tiếp từ PWR để sản xuất methanol có chọn lọc. Hệ thống đưa ra tùy chọn sử dụng chiếu xạ tia γ thải từ nhiên liệu đã qua sử dụng trong bể nhiên liệu (SFP) để sản xuất có chọn lọc acetaldehyde.
Hình minh họa tính linh hoạt của sơ đồ etylen glycol sử dụng trường bức xạ đa thành phần từ một cơ sở hạt nhân để sản xuất có chọn lọc methanol hoặc acetaldehyde.
Nghiên cứu này trình bày một quy trình hóa học để tổng hợp chọn lọc acetaldehyde hoặc methanol từ ethylene glycol bằng hai kịch bản chiếu xạ riêng biệt. Nghiên cứu này trình bày các giá trị chuyển đổi tài nguyên thực tế (năng suất khối lượng) cho các quy trình phân hủy phóng xạ liều cao (khoảng 20 đến 100 kGy) trên các nguyên chất mà các tài liệu phóng xạ trước đây hiếm khi khám phá. Nghiên cứu này cũng cung cấp cơ chế phân mảnh C–C phân hủy phóng xạ hỗ trợ nhiệt độ để hình thành methanol bằng cách sử dụng LET cao, tỷ lệ liều cao, liều hấp thụ lớn và phơi nhiễm trường hỗn hợp. Công trình mở rộng về quá trình sắp xếp lại chuỗi xúc tác axit thành acetaldehyde đã được báo cáo trước đây. Công suất sản xuất tối đa được trình bày cho hai kịch bản chứng minh sức hấp dẫn lớn hơn của hệ thống bể nhiên liệu đã qua sử dụng để sản xuất acetaldehyde, có thể sản xuất 117,4 tấn/năm cho mỗi hệ thống. Hệ thống bể nhiên liệu đã qua sử dụng này phát xạ tia γ. Việc phát triển các quy trình hóa học bức xạ định hướng công nghiệp này có thể cải thiện sức hấp dẫn về mặt tài chính của năng lượng hạt nhân.
Từ khóa: bức xạ; điện hạt nhân;
– CMD –
