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英国国家核实验室和英国曼彻斯特大学之间的长期研究探索了二氧化钚表面特征与其周围环境之间的复杂相互作用。 新的结果为长期存储策略提供了更多的信心。
在世界上许多国家，包括英国、美国、日本和法国，钚从乏核燃料中分离出来，然后以氧化物粉末的形式储存在专门设计的金属罐中。 在英国，这种粉末的最终命运尚未确定; 它可以被丢弃在地下深处，也可以用来为未来的核能制造新的燃料。
英国的一些材料已经储存了近50年，主要在西坎布里亚郡的塞拉菲尔德核电站。 就像其他放射性元素一样，钚会经历放射性衰变，因此罐中的条件会随着时间的推移逐渐变化。
国家核实验室高级技术经理Robin Orr博士在钚方面拥有丰富的经验：“安全可靠地储存钚对国家非常重要。 所有可用的证据都证实了我们目前的解决方案是正确的。 这项新研究通过深入了解钚与储罐内环境之间复杂而动态的相互作用，构成了这一证据的一部分。
这种洞察力使我们能够更深入地了解潜在的科学和工程要求，以便我们可以为塞拉菲尔德有限公司的存储和调节解决方案提供信息。 ”
二氧化钚对水有很强的亲和力，很容易从大气中“吸”出来。 从历史上看，实验室实验表明，电离辐射的能量足以分解这些水形成氢气。 这在储罐中很少发生，这表明一些额外的过程抑制了氢气的产生。
这项新研究由英国国家核实验室代表核退役局和塞拉菲尔德***领导，重点关注历史悠久的储罐。 在六年的时间里，在世界领先的专业实验室国家核实验室测试了数十个具有不同性质的氧化钚粉末样品。 不同**的样品 - 因此不同的钚同位素和痕量元素混合物 - 在相对湿度和成分都以可控方式变化的大气中进行分析。
英国生产的钚是独一无二的，因为它是由两种不同类型的反应堆生产的。 Magnox反应堆是英国历史悠久的民用核计划的产物。 他们生产的钚同位素的放射性低于后来在英国使用的替代先进气体反应堆（AGR）中产生的钚同位素。 使用不同的工艺从乏燃料中分离同位素。
AGR 燃料在英国坎布里亚郡塞拉菲尔德的热氧化物后处理厂或 THORP 后处理厂进行加工。 一旦钚从乏核燃料中的其他元素中分离出来，它就会被加工成氧化物粉末，英国的确切加工步骤与其他国家使用的加工步骤不同。
罐内的动态相互作用也是独一无二的。 根据奥尔博士的说法，“你不能关闭核材料的辐射，所以即使你测量它，钚和罐内的环境也在发生变化。 过去，我们对类似于氧化钚的材料进行了对照实验，这提供了一些线索，但这与研究钚本身是不一样的。 你真的需要看看真实的材料。
由于储罐内的环境变化如此之快，研究人员在数据中寻找趋势或模式，以帮助缩小可能发生的抑制氢气产生的范围。
随着相对湿度的降低，氢气的产生也会降低。 从直觉上讲，这是有道理的，因为水的量限制了可以产生的氢气量。 在非常低的相对湿度下，水被粉末强烈吸收，粉末与粉末结合并防止其以气体形式逸出。
正常空气气氛中的样品往往比氩气或氮气气氛中的样品产生更多的氢气。 这表明空气中氧气、氮气、二氧化碳和痕量气体的混合物会改变辐射引起的化学反应。
辐射，就像钚释放的粒子一样，会引起一连串的反应; 即使是像水这样的简单分子也可以通过几十个。 辐射产生的能量可以被物质吸收，甚至可以从一种材料转移到另一种材料。
氧化钚粉末与其地表水之间的界面非常重要。 粉末的孔隙非常小，小到水分子更容易从孔壁中出来**，而不是与其他水分子碰撞。 这些相互作用也会影响辐射化学。
更高的孔隙率意味着粉末的表面积更大。 令人惊讶的是，表面积和氢气产生之间没有明显的相关性，可能是因为粉末成分的微小差异会影响表面化学性质。
Luke Jones博士曾在曼彻斯特大学从事研究期间从事水的辐射分解工作，现在是NNNL的高级研究技术专家。 他解释了理解水和粉末之间界面的挑战，“有许多不同的变量需要考虑。 即使你使用二氧化钚的非放射性替代品，具有可控的外部辐射场，你仍然需要考虑样品的纯度以及粉末的微观结构。
微小的差异会对水照射时发生的无数化学反应产生重大影响。 当水被限制在孔隙中时，它会影响辐射产生的水分子和碎片的扩散方式。 如果扩散受到限制，则会影响反应速率。 位于粉末表面的不同化学物质也会与水碎片相互作用。
从水箱收集的数据存在一些差异。 来自 Magnox 反应器的样品（通过 Sellafield 的 Magnox 后处理厂）往往比来自 Thorp 后处理路线的样品表现出更少的可变性。 由于Magnox衍生的钚含有的同位素比THORP加工路线的同位素放射性更低，因此辐射剂量率似乎会影响化学反应。
较低的剂量意味着某些反应产物的浓度会较低，这反过来又会影响进一步的反应。 数据的这种可变性表明，影响氢气生产的机制对粉末表面的微小变化非常敏感。
这些趋势还表明，罐内的大气类型也在抑制氢气产生方面发挥作用; 以前，人们认为只有粉末表面的相互作用才重要。 Orr博士解释了这些结果的重要性，“辐射化学取决于许多因素。 我们的结果表明，即使粉末表面的微量元素、粉末的孔隙率和罐内气氛的微小变化也会影响无数的化学反应。 "
结果表明，在这些专门设计的储罐内临时储存是正确的选择; 虽然他们内部有一个动态的、多变的环境，但我们可以看到变化不大。
英国拥有引以为豪的核遗产，其历史可以追溯到 1950 年代，当时世界上第一座工业规模的核电站连接到国家电网并开始向该国提供碳中和电力。 长期以来，辐射科学一直是这一遗产的一部分。 美国国家核实验室目前的研究计划始于2024年，旨在揭示储存钚中发生的动态过程。 最初的工作只集中在天然气生产上。
在接下来的几年里，与美国的研究人员合作，收集了大量信息，表明粉末被安全储存。 从那时起，研究发生了重大转变，以揭示辐射化学的细节。 这些数据将用于形成理论并创建特定的实验来测试它们。
研究结果发表在《核工程前沿》（Frontiers in Nuclear Engineering）杂志上。
更多信息：Kevin Webb 等人，相对湿度、表面积和生产路线对二氧化钚地表水制氢的影响，《核工程前沿》（2023 年）。 doi： 10.3389/fnuen.2023.1127504