美團隊獲百萬美元資助 解決先進核反應爐「惡意元素」危害

美國賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University）領導的研究團隊，近日獲得美國能源部（US Department of Energy）一百萬美元資金，以應對先進核反應爐面臨的潛在威脅。這項研究的目標，是追蹤與控制三種頑固的裂變產物——釤、銫以及碲，這些元素會對熔鹽式反應爐（molten salt reactors）及先進核燃料回收系統造成損害。

傳統的商用核反應爐以加壓水進行冷卻，而熔鹽式反應爐則採用液態鹽，能夠從核燃料中提取更多能量，並讓使用過的燃料得以回收再利用。然而，研究團隊指出，釤（samarium）和銫（europium）的存在會干擾反應爐的性能和燃料回收過程，不希望它們存在於回收燃料中。另一方面，碲（tellurium）則會與熔鹽式反應爐和燃料回收系統中的金屬發生反應，導致腐蝕與材料降解。

為了理解這些「惡意元素」的行為，霍容·基姆（Hojong Kim）教授帶領的研究團隊，將深入探討這些元素的「氧化態」，這是一種描述原子得失電子數量，並強烈影響其化學行為的屬性。研究人員將結合電腦模擬與實驗室測試，探究這些副產物在熱法處理（pyroprocessing）過程中如何與反應爐材料相互作用。熱法處理是一種基於熔鹽的高溫回收方法。

博士研究員 Alok K Pandey 將在實驗室中，把這三種元素溶解於熔鹽溶劑中，並通入電流。透過改變施加的電位，他可以觀察這些元素氧化態的變化，進而了解其電化學性質。這種理解有助於改進核燃料回收過程中，這些元素的回收與管理策略。研究人員曾於 2018 年試圖分析釤，但因其濃度極低且行為不可預測而停滯。團隊相信，新一代診斷技術能有效解決這個難題。

研究發現，液態鉍（molten bismuth）具有像化學海綿一樣的特性，能有效從液態鹽中捕捉稀土元素。如果目前的試驗成功，這項技術將能透過移除腐蝕性與影響性能的副產物，實現更永續的燃料循環。這不僅能讓先進核反應爐運行更長時間，從鈾中提取更多能量，還能顯著減少長效核廢料的產生。