Điện hạt nhân cung cấp nguồn năng lượng tin cậy và ít carbon, nhưng đang bị chững lại do chi phí đầu tư ban đầu cao và thời gian hoàn vốn dài. Việc phát điện hạt nhân từ các hóa chất có nguồn gốc từ sinh khối thải làm nguyên liệu đầu vào có tác động có lợi khi nguồn tài nguyên năng lượng ion hóa chưa được sử dụng hết. Mới đây, các nhà khoa học đã chứng minh được khả năng sản xuất methanol hoặc acetaldehyde có chọn lọc từ ethylene glycol, nguyên liệu đầu vào có nguồn gốc từ glycerol, sản phẩm phụ của biodiesel, bằng cách chiếu xạ từ lò phản ứng hạt nhân. Nghiên cứu này đưa ra khả năng sản xuất acetaldehyde với liều lượng cao và khả năng chọn lọc của quá trình đồng phát điện hạt nhân để tổng hợp các hóa chất dựa trên các điều kiện chiếu xạ của chúng từ cùng một thuốc thử.
Điện hạt nhân là nguồn điện ít carbon với lượng carbon là 12 g/CO2eqkWh, chỉ đứng sau điện gió ở mức 11 g/CO2eqkWh. Mặc dù vậy, chi phí vốn cao và lợi tức đầu tư chậm hơn đã dẫn đến sự chững lại tương đối trong sản lượng điện hạt nhân toàn cầu, 10% năm 2021. Các đánh giá kinh tế kỹ thuật đã chỉ ra rằng đồng phát điện hạt nhân của các hóa chất có giá trị cao hơn có thể làm tăng triển vọng kinh tế của các nhà máy điện hạt nhân lớn mà không ảnh hưởng tiêu cực đến sản lượng điện. Trong khi các hệ thống đồng phát điện Gen-IV trong tương lai được phát triển nhằm mục đích kết hợp đồng phát điện 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 phát điện hóa học như propylen từ propan được đưa ra để cải thiện tỷ lệ hoàn vốn nội bộ (IRR) của khoản đầu tư lên khoảng 8%. Tuy nhiên, việc khai thác năng lượng chưa được sử dụng hết có sẵn trong sản lượng bức xạ ion hóa 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 nguyên liệu hóa dầu hạn chế.
Một trong những nguyên liệu hóa học có nguồn gốc sinh học là glycerol tinh chế, đáng chú ý về tính bền vững do tình trạng dư thừa sản xuất (khoảng 500.000 kt năm–1) hiện đang hướng đến các ứng dụng có giá trị thấp như nhiệt và thức ăn chăn nuôi. Glycerol có tiềm năng là hóa chất nền tảng có 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 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 lớn trên toàn thế giới là ∼1,1 × 108 tấn mỗi năm.
Năng suất hóa học bức xạ hay giá trị G đã được biết đến để đánh giá hiệu quả của quá trình chuyển đổi phân hủy phóng xạ thành các phản ứng (giá trị g) hoặc các sản phẩm phân tử (giá trị G). Theo truyền thống, giá trị G được biểu thị theo đơn vị 100 phân tử trên eV (100 eV–1), quy ước đơn vị SI hiện đại áp dụng micromol trên joule (μmol J–1). Hệ số chuyển đổi giữa các đơn vị này là 1 phân tử trên 100 eV thành 0,1036 μmol J–1. Nhiều tài liệu 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 hơn và nồng độ cao hơn cho thấy trường hợp thực tế về năng suất và tài nguyên. Ngoài ra, việc xem xét một phép đo hóa học, như năng suất khối lượng, là 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, 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 giá trị G lớn hơn 18 μmol J–1 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 đã tuyên bố rằng giá trị G của acetaldehyde có thể đạt khoảng ∼20.700 μmol J–1 đối với điều kiện liều thấp (1,6 kGy ở 6,6 Gy phút–1). Tuy nhiên, những tuyên bố này dựa trên các phép đo gián tiếp acetaldehyde và các giá trị G cực lớn vẫn chưa được tái tạo. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ 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 (<10–15 giây). Người ta dự đoán rằng quá trình này sẽ được thúc đẩy bởi 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 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. 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 đồng sản xuất lò phản ứng nước áp suất (PWR) đưa ra tùy chọn chiếu xạ các chất hữu cơ bằng trường hỗn hợp (neutron + tia γ) bằng cách sử dụng bức xạ trực tiếp từ PWR để sản xuất methanol một cách có chọn lọc. Hệ thống đưa ra tùy chọn sử dụng chiếu xạ tia γ thải từ các pin nhiên liệu đã qua sử dụng trong hệ thống sản xuất bể nhiên liệu đã qua sử dụng (SFP) để sản xuất có chọn lọc acetaldehyde.
Nghiên cứu đã đưa ra quy trình hóa học để tổng hợp chọn lọc acetaldehyde hoặc methanol từ ethylene glycol bằng hai kịch bản chiếu xạ riêng biệt. Kết quả chứng minh giá trị G là 8,28 và ∼0,55 μmol J–1 cho acetaldehyde và methanol tương ứng với 20 kGy chiếu xạ tia gamma có LET thấp, phù hợp với sự phụ thuộc liều hấp thụ được quan sát thấy trong kỹ thuật phân tích phóng xạ trước đây. Ngược lại, chiếu xạ trường hỗn hợp có LET cao tạo ra methanol ở giá trị G là 2,91 μmol J–1 ở 100 kGy, với giá trị G của acetaldehyde ở giá trị thấp hơn là 0,4 μmol J–1. Hằng số liều là 0,00214 kGy–1 đã được xác định đối với acetaldehyde tạo ra từ tia gamma trong khoảng từ 20 đến 100 kGy, thấp hơn so với tài liệu tương ứng. Năng suất khối lượng tối đa đối với acetaldehyde và methanol lần lượt là 1,045% và 0,933% đối với các chế độ và liều chiếu xạ ưu tiên. 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 và lý thuyết là 64,5 kt/năm trên toàn thế giới, giả sử rằng tất cả 422 hệ thống đều đang hoạt động. Hệ thống sản xuất bể nhiên liệu đã qua sử dụng này sử dụng các cụm nhiên liệu đã qua sử dụng và 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, do đó cung cấp điện ít carbon và cung cấp hóa chất tái tạo không có hóa dầu.
Từ khóa: chiếu xạ
– CMD –
