Modificación molecular para mejorar el reprocesamiento de los residuos nucleares

El reprocesamiento de los residuos de combustible nuclear podría volverse más seguro y eficiente en el futuro después de que los investigadores hayan encontrado una forma de modificar la estructura de las moléculas para eliminar los materiales radiactivos.

La investigación se publica en una edición reciente de la influyente revista Chemistry – A European Journal donde los editores la describen como de gran importancia.

La operación de reprocesamiento

La energía nuclear ofrece una fuente de electricidad limpia y baja en carbono y se está convirtiendo en una parte creciente del suministro de energía en muchos países del mundo. Alrededor del 10% de la electricidad mundial es producida por energía nuclear. Sin embargo, las centrales nucleares necesitan combustible para producir electricidad y este combustible se vuelve menos eficiente con el tiempo, debiendo reemplazarse después de aproximadamente cinco años.

El combustible gastado sigue siendo altamente radiactivo y genera cantidades intensas de calor. Antes de ser reprocesado o desechado, debe sumergirse en estanques de enfriamiento especializados a más de 10 metros de profundidad. El agua proporciona protección contra la radiactividad y se enfría continuamente para eliminar el intenso calor de las barras de combustible.

Estas barras tardan más de un año en enfriarse hasta un punto en el que puedan reprocesarse para eliminar los elementos de uranio y plutonio, que luego pueden reutilizarse como combustible.

Sin embargo, los elementos americio, curio y neptunio, que se llaman actínidos menores, todavía están presentes y producen la mayor parte del calor y la radioactividad del combustible gastado restante. Además, estos elementos permanecen altamente radiactivos durante aproximadamente 9,000 años, lo que hace que el almacenamiento y la eliminación a largo plazo del combustible gastado sea extremadamente difícil de manejar de manera segura.

Si estos elementos radiactivos nocivos pudieran eliminarse, mejoraría significativamente la seguridad y la sostenibilidad de la energía nuclear, ya que el combustible gastado restante permanecería radiactivo durante aproximadamente 300 años, que es un marco de tiempo mucho más manejable.

Modificando las moléculas

Las moléculas llamadas triazinas son capaces de eliminar o extraer estos elementos nocivos del combustible nuclear gastado de una manera altamente selectiva, y se conocen desde hace algún tiempo. Los investigadores intentaron descubrir cómo modificar una determinada parte de estas moléculas podría influir en su capacidad para unirse y extraer estos actínidos menores a nivel molecular. Los conocimientos adquiridos podrían explotarse para diseñar moléculas mejores y más eficientes para el reprocesamiento de los residuos nucleares en el futuro.

Los investigadores cambiaron el tamaño de los anillos alifáticos en las moléculas de referencia establecidas de anillos de 6 miembros a anillos de 5 miembros. Descubrieron que este cambio pequeño pero sutil tuvo efectos inesperados sobre la eficacia con la que estas moléculas se unen y extraen los actínidos menores en comparación con las moléculas de referencia. Las razones exactas de estos efectos se determinaron a nivel molecular utilizando una variedad de técnicas experimentales.

«Los hallazgos son significativos, ya que podrían permitir el diseño de mejores moléculas de una manera más racional, en lugar de simplemente por ensayo y error», ha afirmado el Dr. Frank Lewis , profesor titular de química orgánica en el Departamento de Ciencias Aplicadas de la Universidad de Northumbria.

“El conocimiento y las percepciones que hemos obtenido al ajustar la parte alifática cíclica de estas moléculas podría allanar el camino para el diseño racional de ligandos selectivos de actínidos mejorados para el reprocesamiento de combustibles nucleares gastados. La modificación de estas moléculas de diferentes maneras para mejorar sus propiedades de extracción podría hacer que el reprocesamiento futuro sea más eficiente y podría ser esencial si se van a utilizar industrialmente en el futuro.»

«Creemos que estos resultados son de gran importancia para el campo de la energía nuclear, y esto ha sido confirmado por el panel que revisó el documento antes de su publicación».

Resultados significativos

El equipo editorial de Chemistry – A European Journal escribió al Dr. Lewis y sus compañeros diciendo: “Según la evaluación de los árbitros, los resultados informados en este artículo son de gran importancia. Menos del 20% de los manuscritos reciben una crítica tan positiva «.

El papel también fue seleccionado por los editores como ‘Hot Paper‘, y se destacó en una obra gráfica de Frontispiece.

La investigación fue dirigida por el Dr. Lewis con compañeros de la Universidad de Northumbria; la universidad de Newcastle ; el Instituto de Investigación de Energía y Clima en el Centro de Investigación Jülich; el Instituto de Tecnología de Karlsruhe para la eliminación de desechos nucleares y el Instituto de Química Física de la Universidad de Heidelberg.

El artículo, Exploring the Subtle Effect of Aliphatic Ring Size on Minor Actinide Extraction Properties and Metal Ion Speciation in Bis-1,2,4-Triazine Ligands ,ahora se publica en Chemistry A European Journal.

Fuente: Universidad de Northumbria