Electrochemical Preparation of UCl3 -LiCl-KCl Molten Salt in a Frit-Separated Cell

In de zoektocht naar het voeden van de toekomst kijken wetenschappers terug naar een specifiek type kernreactor dat op vloeibaar metaal draait in plaats op water. Deze machines, bekend als natriumgekoelde snelle reactoren, bieden een manier om verbruikte nucleaire brandstof te hergebruiken, waardoor wat gewoonlijk als afval wordt beschouwd, wordt omgezet in een hulpbron. Om dit recyclingproces echter werkbaar te maken, moeten ingenieurs de nuttige delen van de brandstof scheiden van de nutteloze delen. Dit proces, genaamd pyroprocessing, vindt plaats in een bad van gesmolten zout, dat fungeert als een vloeibare chemische spons. Om deze spons effectief te laten werken, moet deze vooraf geladen worden met een specifieke chemische verbinding genaamd uraniumtrichloride. Traditioneel gezien is het maken van deze verbinding een rommelige en gevaarlijke zaak, waarbij vaak giftige gassen of zware metalen nodig zijn die het eindproduct kunnen vervuilen. De uitdaging is het vinden van een manier om dit essentiële ingrediënt schoon, veilig en zonder het introduceren van nieuwe onzuiverheden in het delicate systeem te creëren.

Een team onderzoekers van de Harbin Engineering University en het China Institute of Atomic Energy heeft een nieuwe methode ontwikkeld om dit probleem op te lossen. In plaats van gevaarlijke gassen te gebruiken of extra chemicaliën toe te voegen, hebben zij een speciale cel gebouwd die elektriciteit gebruikt om vast uraniummetaal direct te transformeren in de vereiste zoutverbinding. De opstelling is verdeeld in twee aparte kamers door een poreuze glazen barrière, vergelijkbaar met een zeer fijne zeef. In de ene kamer plaatsten zij een stuk vast uraniummetaal. In de andere plaatsten zij een plas vloeibaar bismuth, een zilverachtig metaal dat bij relatief lage temperaturen smelt. Het hele systeem werd gevuld met een gesmolten mengsel van lithiumchloride en kaliumchloride, verhit tot een temperatuur van 773 Kelvin, wat heet genoeg is om het zout vloeibaar te houden maar niet zo heet dat het wegkookt.

Het proces werkt door een elektrische stroom door het systeem te duwen. Wanneer de stroom loopt, begint het vaste uranium in de eerste kamer op te lossen, waarbij geladen uraniumdeeltjes in het gesmolten zout worden vrijgegeven. Tegelijkertijd zorgt de elektriciteit ervoor dat lithium wordt gevormd in de tweede kamer. Als dit lithium alleen zou worden gelaten, zou het heftig reageren of simpelweg weg drijven, wat de balans zou verstoren. Om dit te voorkomen, fungeert het vloeibare bismuth als een spons, die het nieuw gevormde lithium opzuigt en het in een stabiele legering opsluit. De poreuze glazen barrière tussen de twee kamers speelt een cruciale rol; het staat de noodzakelijke ionen toe om door te gaan om de elektrische schakeling te voltooien, maar blokkeert de opgeloste uranium zodat deze niet naar de andere kant drijft, waar het verspild zou worden. Deze scheiding zorgt ervoor dat de uranium precies blijft waar het nodig is, en zich concentreert binnen het zoutbad.

De onderzoekers testten deze methode door het experiment tien keer achter elkaar uit te voeren, waarbij zij twee verschillende niveaus van elektrische stroom gebruikten. Zij ontdekten dat de concentratie van de uraniumverbinding in het zout bij elke ronde gestaag en voorspelbaar toenam. Aan het einde van de reeks bevatte het zout bijna 12,5 procent van de gewenste verbinding, een niveau dat voldoende is voor industrieel gebruik. Het proces was opmerkelijk efficiënt en zette meer dan 95 procent van de elektrische energie om in het gewenste chemische product. Cruciaal was dat het team bevestigde dat het bismuth het lithium succesvol had gevangen. Toen zij het bismuth na het experiment onderzochten, zagen zij dat het een duidelijke paarse kleur had aangenomen, een teken dat er een nieuwe chemische verbinding in was gevormd. Verdere analyse onthulde dat het bismuth en het lithium inderdaad aan elkaar gebonden waren, wat bewees dat het vloeibare metaal precies deed wat het moest doen: het vasthouden van het lithium zodat het niet kon ontsnappen.

Deze nieuwe aanpak biedt een significante verbetering ten opzichte van oudere methoden. Eerdere technieken vertrouwden vaak op cadmium, een giftig zwaar metaal, of corrosieve gassen die de apparatuur konden beschadigen en ongewenste onzuiverheden achterlieten. Door elektriciteit en een vloeibaar metalen spons te gebruiken, vereist deze methode geen externe chemicaliën om de reactie aan te drijven. De hoeveelheid uraniumverbinding die geproduceerd wordt, wordt eenvoudig gecontroleerd door de hoeveelheid elektriciteit die door het systeem wordt geleid, wat een nauwkeurig beheer van het eindproduct mogelijk maakt. Hoewel de poreuze barrière een kleine hoeveelheid weerstand toevoegde, waardoor er iets meer vermogen nodig was om het systeem te laten draaien, was de ruil de zuiverheid en veiligheid van het resultaat waard. De studie demonstreert dat het mogelijk is om de essentiële ingrediënten voor de recycling van nucleaire brandstof te creëren met behulp van een schoon, zelfgecontroleerd elektrochemisch proces, wat de weg vrijmaakt voor efficiëntere en veiligere nucleaire energiesystemen.