Electrochemical Preparation of UCl3 -LiCl-KCl Molten Salt in a Frit-Separated Cell
यह शोध पत्र एक फ्रिट-पृथक सेल (frit-separated cell) में बिस्मथ कैथोड का उपयोग करके UCl₃-LiCl-KCl पिघले हुए लवण (molten salt) को तैयार करने के लिए एक कुशल, अभिकर्मक-मुक्त इलेक्ट्रोकेमिकल विधि प्रदर्शित करता है, जो धात्विक अशुद्धियों या संक्षारक गैसों को शामिल किए बिना उच्च धारा दक्षता और सटीक सांद्रता नियंत्रण सफलतापूर्वक प्राप्त करता है।
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भविष्य को शक्ति प्रदान करने की खोज में, वैज्ञानिक एक विशिष्ट प्रकार के परमाणु रिएक्टर की ओर वापस देख रहे हैं जो पानी के बजाय तरल धातु पर चलता है। ये मशीनें, जिन्हें सोडियम-कूल्ड फास्ट रिएक्टर (sodium-cooled fast reactors) के रूप में जाना जाता है, खर्च किए गए परमाणु ईंधन का पुन: उपयोग करने का एक तरीका प्रदान करती हैं, जो उस चीज़ को एक संसाधन में बदल देती हैं जिसे आमतौर पर अपशिष्ट माना जाता है। हालाँकि, इस रीसाइक्लिंग को काम करने के योग्य बनाने के लिए, इंजीनियरों को ईंधन के उपयोगी हिस्सों को बेकार हिस्सों से अलग करना होगा। यह प्रक्रिया, जिसे पायरोप्रोसेसिंग (pyroprocessing) कहा जाता है, पिघले हुए नमक के स्नान में होती है, जो एक तरल रासायनिक स्पंज की तरह कार्य करता है। इस स्पंज को प्रभावी ढंग से काम करने में सक्षम बनाए रखने के लिए, इसे यूरेनियम ट्राइक्लोराइड नामक एक विशिष्ट रासायनिक यौगिक के साथ पहले से लोड किया जाना चाहिए। पारंपरिक रूप से, इस यौगिक को बनाना एक गंदा और खतरनाक व्यवसाय रहा है, जिसमें अक्सर जहरीली गैसों या भारी धातुओं की आवश्यकता होती है जो अंतिम उत्पाद को दूषित कर सकते हैं। चुनौती इस आवश्यक सामग्री को स्वच्छ रूप से, सुरक्षित रूप से और नाजुक प्रणाली में नई अशुद्धियों को पेश किए बिना बनाने का तरीका खोजने की थी।
हारबिन इंजीनियरिंग यूनिवर्सिटी और चाइना इंस्टीट्यूट ऑफ एटॉमिक एनर्जी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक नई विधि विकसित की है। खतरनाक गैसों का उपयोग करने या अतिरिक्त रसायन जोड़ने के बजाय, उन्होंने एक विशेष सेल बनाया है जो ठोस यूरेनियम धातु को सीधे आवश्यक नमक यौगिक में बदलने के लिए बिजली का उपयोग करता है। सेटअप को एक छिद्रपूर्ण कांच के अवरोध (porous glass barrier) द्वारा दो अलग-अलग कक्षों में विभाजित किया गया है, जो एक बहुत ही महीन छलनी के समान है। एक कक्ष में, उन्होंने ठोस यूरेनियम धातु का एक टुकड़ा रखा। दूसरे में, उन्होंने तरल बिस्मथ (bismuth) का एक पूल रखा, जो एक चांदी जैसी दिखने वाली धातु है जो अपेक्षाकृत कम तापमान पर पिघलती है। पूरे सिस्टम को लिथियम क्लोराइड और पोटेशियम क्लोराइड के पिघले हुए मिश्रण से भरा गया था, जिसे 773 केल्विन के तापमान पर गर्म किया गया था, जो इतना गर्म है कि नमक तरल बना रहे लेकिन इतना भी नहीं कि वह उड़ जाए।
यह प्रक्रिया विद्युत धारा प्रवाहित करके काम करती है। जब करंट बहता है, तो पहले कक्ष में मौजूद ठोस यूरेनियम घुलना शुरू हो जाता है, जिससे आवेशित यूरेनियम कण पिघले हुए नमक में मुक्त होते हैं। इसी समय, बिजली दूसरे कक्ष में लिथियम बनाती है। यदि यह लिथियम अकेला छोड़ दिया जाता, तो यह हिंसक रूप से प्रतिक्रिया करता या बस तैरकर निकल जाता, जिससे संतुलन बिगड़ जाता। इसे रोकने के लिए, तरल बिस्मथ एक स्पंज की तरह कार्य करता है, जो नए बने लिथियम को सोख लेता है और उसे एक स्थिर मिश्र धातु (alloy) में लॉक कर देता है। दोनों कक्षों के बीच का छिद्रपूर्ण कांच का अवरोध एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है; यह आवश्यक आयनों को विद्युत सर्किट को पूरा करने के लिए गुजरने की अनुमति देता है लेकिन घुले हुए यूरेनियम को दूसरे तरफ जाने से रोकता है, जहाँ वह बर्बाद हो जाएगा। यह पृथक्करण सुनिश्चित करता है कि यूरेनियम ठीक वहीं रहे जहाँ इसकी आवश्यकता है, जिससे नमक के स्नान के भीतर इसकी सांद्रता बढ़ती रहे।
शोधकर्ताओं ने विद्युत धारा के दो अलग-अलग स्तरों का उपयोग करके, दस बार लगातार प्रयोग चलाकर इस पद्धति का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि नमक में यूरेनियम यौगिक की सांद्रता प्रत्येक रन के साथ लगातार और अनुमानित रूप से बढ़ती गई। श्रृंखला के अंत तक, नमक में वांछित यौगिक लगभग 12.5 प्रतिशत था, जो औद्योगिक उपयोग के लिए पर्याप्त स्तर है। यह प्रक्रिया उल्लेखनीय रूप से कुशल थी, जिसने विद्युत ऊर्जा के 95 प्रतिशत से अधिक को वांछित रासायनिक उत्पाद में परिवर्तित किया। महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने पुष्टि की कि बिस्मथ ने सफलतापूर्वक लिथियम को कैप्चर कर लिया था। जब उन्होंने प्रयोग के बाद बिस्मथ की जांच की, तो उन्होंने पाया कि वह स्पष्ट रूप से बैंगनी रंग का हो गया था, जो एक संकेत है कि इसके अंदर एक नया रासायनिक यौगिक बना है। आगे के विश्लेषण से पता चला कि बिस्मथ और लिथियम वास्तव में आपस में जुड़ गए थे, जिससे सिद्ध हुआ कि तरल धातु ठीक वही कर रही थी जो उसे करना चाहिए था: लिथियम को पकड़कर रखना ताकि वह बाहर न निकल सके।
यह नया दृष्टिकोण पुराने तरीकों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार प्रदान करता है। पिछली तकनीकों में अक्सर कैडमियम, जो एक जहरीली भारी धातु है, या संक्षारक गैसों पर निर्भर रहना पड़ता था जो उपकरणों को नुकसान पहुँचा सकती थीं और अनचाही अशुद्धियाँ छोड़ सकती थीं। बिजली और एक तरल धातु स्पंज का उपयोग करके, इस पद्धति में प्रतिक्रिया को संचालित करने के लिए किसी बाहरी रसायन की आवश्यकता नहीं होती है। यूरेनियम यौगिक की मात्रा को केवल इस बात से नियंत्रित किया जा सकता है कि सिस्टम के माध्यम से कितनी बिजली प्रवाहित की जाती है, जिससे अंतिम उत्पाद का सटीक प्रबंधन संभव होता है। हालांकि छिद्रपूर्ण अवरोध ने थोड़ी प्रतिरोधक क्षमता जोड़ी, जिसके लिए सिस्टम चलाने के लिए थोड़े अधिक पावर की आवश्यकता हुई, लेकिन परिणाम की शुद्धता और सुरक्षा के लिए यह समझौता सार्थक था। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक स्वच्छ, स्व-निहित इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया का उपयोग करके परमाणु ईंधन रीसाइक्लिंग के लिए आवश्यक सामग्रियां बनाना संभव है, जो अधिक कुशल और सुरक्षित परमाणु ऊर्जा प्रणालियों का मार्ग प्रशस्त करता है।
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