美國研究團隊獲資助百萬美元應對先進核反應堆中的化學副產品問題

先進核能技術擁有明確的潛力，能提供全天候的低碳電力，並且其燃料效率遠超傳統電廠。然而，下一代反應堆面臨著原子級的挑戰。當鈾原子分裂以產生能量時，會留下麻煩的化學副產品，這些副產品會破壞設備，並妨礙回收工作。由賓夕法尼亞州立大學領導的研究團隊獲得了美國能源部的 100 萬美元資助，以解決這一具體問題。他們的目標是追蹤和控制三種頑固的裂變產物——鈰、歐洲鉻和碲——在熔鹽反應堆和先進回收系統中的行為。

標準的商業反應堆使用加壓水進行冷卻，但熔鹽系統則使用液體鹽。這些反應堆可以從核燃料中提取更多能量，並允許回收使用過的材料。然而，內部的化學環境極為惡劣。上述三種目標元素各自帶來不同的挑戰。研究人員指出，鈰和歐洲鉻在回收燃料中是不可取的，因為它們會干擾反應堆性能和燃料回收過程。“而碲則可能與熔鹽反應堆和燃料回收系統中使用的金屬反應，導致腐蝕和材料劣化，”研究人員補充道。

化學副產品對反應堆的影響

為瞭解決這一問題，研究人員需要理解這些元素在基本層面的行為。“我們將研究這些元素的氧化態，這描述了原子獲得或失去的電子數量，並強烈影響它們的化學行為，”首席研究員、賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程教授 Hojong Kim 表示。研究團隊將檢視這些副產品在高溫回收方法——基於熔鹽的熱處理過程中，如何與反應堆材料互動。與內華達大學雷諾分校和愛達荷國家實驗室的專家合作，研究人員將電腦模擬與直接實驗相結合。

在實驗室中，博士研究員 Alok Pandey 將把這三種元素溶解在熔鹽溶劑中，並通過混合物通過電流。在改變施加的電壓時，他可以觀察這些元素如何變化氧化態。“這將幫助我們理解這些元素的電化學性質，”Pandey 總結道。“這可能有助於改善在核燃料回收過程中對它們的回收和管理策略。”

新技術的潛力

該項目還重新審視了一個早期未解決的難題。Kim 曾經在 2018 年獲得聯邦資助時嘗試分析鈰，但因該元素濃度極低且行為不穩定而無法推進。隨著新診斷方法的出現，團隊相信現在能夠破解這一問題。他們的解決方案依賴於一個意想不到的盟友：液態鉍。Kim 的實驗室早前發現，熔融鉍可以像化學海綿一樣，潔淨地從液體鹽中捕捉稀土元素。如果目前的試驗成功，這一技術將有助於解鎖更可持續的燃料循環。

通過去除腐蝕性和影響性能的副產品，工程師可以延長先進反應堆的運行時間，從每顆鈾中提取更多能量，並顯著減少長期存在的核廢料。

解決核能可持續發展的關鍵挑戰

隨著對低碳能源需求的增加，先進核能技術的潛力愈加受到重視。然而，化學副產品對反應堆性能的影響，使得燃料回收變得複雜。研究團隊的工作不僅旨在解決這一技術挑戰，還可能推動核能的可持續發展。利用液態鉍捕捉稀土元素的技術，若成功，將為未來的燃料循環提供新的解決方案，進一步提升核能的環保性和經濟性。