科學(xué)家借助拉曼光譜傳感器來加速乏核燃料的回收再利用
為了減少放射性廢棄物、并讓核反應(yīng)堆的運(yùn)營(yíng)更具經(jīng)濟(jì)效益，美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的科學(xué)家們，正在講究一套基于實(shí)時(shí)光譜檢測(cè)的新方法，以改善乏核燃料的回收利用。New Atlas 指出，核電最大的賣點(diǎn)之一，就是只需為反應(yīng)堆提供極少的核燃料。一顆僅重 0.35 盎司(10 克)的核燃料顆粒，即可產(chǎn)出相當(dāng)于一噸煤的能量。
然而當(dāng)前核電的一個(gè)主要短板，就是乏燃料在“被耗盡”時(shí)，仍含有 95% 的可裂變物質(zhì)，迫使有關(guān)部門必須建設(shè)一個(gè)能夠安全可靠地存儲(chǔ)它們的乏燃料池。
以美國(guó)為例，當(dāng)?shù)卦O(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)是將乏燃料存儲(chǔ)在地下。但與許多人印象中的“永久埋藏”相反，這些設(shè)施并不能一勞永逸地處置完乏燃料，而是要將他們保留到可被再次利用。
主要原因是，乏燃料中仍在包含大量的可裂變?cè)?主要是鈾)，以及醫(yī)學(xué)和工程界迫切需要的大量具有價(jià)值的放射性同位素。
不過乏燃料的真正問題，是因?yàn)檫@堆復(fù)雜的混合物中包含了元素周期表中的一半元素，導(dǎo)致其分離工作變得異常艱難。
盡管核燃料加工行業(yè)已頗具技術(shù)規(guī)模，但當(dāng)前不僅加工進(jìn)度十分緩慢、價(jià)格也相當(dāng)昂貴，更別提生產(chǎn)純钚(plutonium)危險(xiǎn)性、以及面臨著核擴(kuò)散等方面的問題。
慶幸的是，為改善回收流程，PNNL 正研究使用拉曼光譜儀(Raman Spectroscopy)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)乏燃料。
PNNL 研究人員指出，當(dāng)乏燃料在溶液中流經(jīng)傳感器時(shí)，這套化學(xué)分析系統(tǒng)能夠利用光與分子中的化學(xué)鍵的相互作用，來獲得有關(guān)其化學(xué)結(jié)構(gòu)、相態(tài)、多晶型、晶體結(jié)構(gòu)、以及分子相互作用等信息。
基于這方面的數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)得以監(jiān)測(cè)工業(yè)級(jí)的乏燃料、將之轉(zhuǎn)化為液體形式、接著送至離心機(jī)，然后按質(zhì)量分離出不同的元素。
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠嚴(yán)格地控制鈾與钚之間的比率，并去除不需要的元素和同位素，以生產(chǎn)出能夠在高級(jí)反應(yīng)堆中作為核燃料的循環(huán)材料。
PNNL 化學(xué)家阿曼達(dá)·萊恩斯(Amanda Lines)表示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于確定確切的化學(xué)元素比率至關(guān)重要。
對(duì)于研究人員來說，它可通過提供近乎實(shí)時(shí)的信息，來幫助控制和理解化學(xué)過程，從而增強(qiáng)了操作人員的能力。更棒的是，這項(xiàng)技術(shù)具有極高的成本效益，并未開發(fā)和改進(jìn)回收方案而提供了難得的機(jī)遇。
有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《ACS Sensor》期刊上，原標(biāo)題為：《Sensor Fusion: Comprehensive Real-Time, On-Line Monitoring for Process Control via Visible, Near-Infrared, and Raman Spectroscopy》。
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