दिसम्बर 5, 2020

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New radiation resistant material ( विकिरण-प्रतिरोधी सामग्री ) makes it safer and cheaper to recycle spent nuclear fuel ( परमाणु ईंधन )

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वैज्ञानिकों ने एक विकिरण-प्रतिरोधी ( radiation resistant ) सामग्री विकसित की है जो खर्च किए गए परमाणु ईंधन ( nuclear fuel ) के पुनर्चक्रण (recycling) और कुछ उन्नत रिएक्टरों (advanced reactors) के संचालन के दौरान उत्पन्न होने वाली रेडियोधर्मी बंद गैसों (radioactive off gases) को पकड़ने के लिए इसे सुरक्षित और सस्ता बनाती है।

वर्तमान प्रौद्योगिकियां (technologies) महंगी हैं, और यह नई सामग्री क्सीनन (xenon) और क्रिप्टोन (krypton) जैसे महान गैसों (noble gasses) को पकड़ने के लिए और अधिक कुशल बनाती है, जो परमाणु विखंडन के बायप्रोडक्ट हैं। इसके अलावा, गैर-रेडियोधर्मी क्सीनन (non-radioactive xenon) पर कब्जा कर लिया दवा और वाणिज्यिक प्रकाश में उपयोग के लिए पुनः शुद्ध किया जा सकता है।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग के परमाणु ऊर्जा ( nuclear energy ) विभाग द्वारा वित्त पोषित (funded) एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इसे करने का एक और सस्ता तरीका पाया। अंतर्राष्ट्रीय टीम ने प्रकृति संचार (Nature Communications) में अपने निष्कर्षों को रेखांकित (outlined) किया।

Bye-bye cryogenics: cutting costs without cooling

कुलीन गैसों के कुशल कैप्चर (Efficient capture of noble gases) से आवश्यक उपकरणों के आकार में भारी कटौती हो जाती है और समग्र मात्रा जिसे रेडियोधर्मिता (radioactivity) के क्षय होने तक संग्रहित करना पड़ता है। वर्तमान में, और अधिक महंगी और खतरनाक प्रक्रिया के माध्यम से कचरे को नीचे गिरा देती है जिसे क्रायोजेनिक पृथक्करण (cryogenic separation) कहा जाता है। नई प्रक्रिया क्रायोजेनिक (cryogenic) कैप्चर की जगह ले सकती है।

“लक्ष्य गैर-रेडियोधर्मी क्सीनन (non-radioactive xenon) को पुनर्प्राप्त करना था क्योंकि इसका उपयोग चिकित्सा संज्ञाहरण (medical anesthesia), प्रणोदन (propulsion engines) और प्रकाश व्यवस्था में किया जा सकता है। यहां तक ​​कि डेरा डाले हुए हेडलैम्प (camping headlamps) भी क्सीनन (xenon) का उपयोग करते हैं। इसलिए, इसके लिए कई उपयोग हैं,” said Praveen Thallapally, a materials scientist at Pacific Northwest National Laboratory and one of the lead authors on the study.

क्सीनन (xenon) के विपरीत, क्रिप्टोन (krypton) का कम वाणिज्यिक मूल्य (commercial value) है, इसलिए इसे अलग करने का प्राथमिक लक्ष्य खर्च (primary goal of separating) किए गए अपशिष्ट भंडारण (spent waste) की मात्रा को कम करना है।

2016 में, शोधकर्ताओं की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने एक ऐसी सामग्री विकसित की, जिसने क्रायोजेनिक्स (cryogenics) की आवश्यकता को समाप्त कर दिया और गैस पृथक्करण (gas separation) की लागत में लगभग 50% की कमी कर दी। एक बार शोधकर्ताओं ने यह पता लगा लिया कि क्सीनन (xenon) और क्रिप्टोन (krypton) पर कब्ज़ा कैसे किया जाए, तो अगला कदम एक ऐसी सामग्री विकसित करना था जो खर्च किए गए ईंधन द्वारा उत्पन्न विकिरण के स्तर (radiation levels) का सामना कर सके।

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वर्तमान अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने संरचना में विभिन्न टुकड़ों की अदला-बदली की और नए कैप्चर मटीरियल बनाए जो रेडियोएक्टिव वातावरण (radioactive environment) में स्थिर थे। Metal organic framework (MOF) मैटीरियल, ऑर्गेनिक और इनऑर्गेनिक मैटेरियल (organic and inorganic materials) जैसे मेटल से बने ब्लॉक्स की तरह होते हैं।

सरल टुकड़ों को जटिल संरचनाओं के रूप में जोड़ा जा सकता है जो चुनिंदा गैसों पर कब्जा करने का लक्ष्य रखते हैं। इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने जस्ता (zinc), तांबा (copper) और कोबाल्ट (cobalt) जैसी धातुओं का परीक्षण किया, यह देखने के लिए कि कौन सा संयोजन (combination) अधिक रेडियोधर्मी रूप से स्थिर (radioactively stable) था।

“ये सामग्री अन्य गैर-रेडियोधर्मी गैसों (non-radioactive gases) से शुद्ध रूप में क्रिप्टोन (krypton) को अलग करके परमाणु कचरे ( nuclear waste ) की मात्रा को कम करने में मदद कर सकती है। हालांकि, क्रिप्टोन (krypton) के व्यावहारिक पृथक्करण (separation) के लिए इन सामग्रियों का उपयोग करने के लिए यह विकिरण ( radiation ) के लिए प्रतिरोधी ( resistant ) होना चाहिए,” said Sameh Elsaidi of the U.S. Department of Energy’s National Energy Technology Laboratory and co-lead author on the study.

Fine tuning radioactive off-gas capture

विज्ञान इस तथ्य पर आधारित है कि सभी गैसें दो तरह से भिन्न होती हैं: उनकी चिपचिपाहट (stickiness) और उनका आकार। वैज्ञानिक इन गुणों का उपयोग फाइन ट्यून (fine-tune) सामग्री के लिए करते हैं जो विशिष्ट गैसों को पकड़ लेंगे।

एक विकिरण-प्रतिरोधी ,radiation resistant nuclear fuel ) के recycling और  radioactive off gases Xenon is trapped in the metal-organic framework (MOF), while other gases go in and out. Credit: Mike Gipple, NET
Non-radioactive xenon can be recovered from spent nuclear fuel for use in things like headlamps, commercial lighting, or even in medicine. Credit: Pacific Northwest National Laboratory

गैर-रेडियोधर्मी क्सीनन (Non-radioactive xenon) को हेडलैम्प्स (headlamps), वाणिज्यिक प्रकाश व्यवस्था (commercial lighting) या यहां तक ​​कि दवा में उपयोग करने के लिए खर्च किए गए परमाणु ईंधन ( nuclear fuel ) से पुनर्प्राप्त किया जा सकता है।

एक स्पंज में छेद से बहने वाले पानी की तरह, MOF में गैसों के आने जाने के लिए गुहाओं का जाल (web of cavities) भी होता है। शोधकर्ता छेदों को बड़ा या छोटा कर सकते हैं और यहां तक ​​कि MOF भी बना सकते हैं जो केवल कुछ तरल पदार्थ उठाते हैं, जैसे कि बड़े अणु (larger molecules).

इसी विचार को गैसों को अलग करने के लिए दो-चरणीय प्रक्रिया में क्सीनन (xenon) और क्रिप्टोन (krypton) पर लागू किया गया था। पहला चरण क्सीनन (xenon) को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जबकि छोटे क्रिप्टोन (krypton) परमाणुओं के माध्यम से गुजरते हैं। दूसरा चरण क्रिप्टोन (krypton) को पकड़ता है।

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“दो बेड तकनीक का उपयोग करके क्रिप्टोन जुदाई (krypton separation) में इसके उपयोग के लिए विकिरण प्रतिरोध (radiation resistance) आवश्यक है।” said Ju Li, a professor of materials science and engineering at the Massachusetts Institute of Technology and co-lead author on the study.

विशिष्ट विकिरण प्रतिरोधी ( radiation resistant ) MOF अनुसंधान दल (research team) द्वारा विकसित की है, SIFSIX-3-Cu के पास परमाणु उद्योग में अनुप्रयोग (applications) हैं, वाणिज्यिक क्षेत्रों (commercial sectors) के साथ जो सफाई उद्देश्यों के लिए हवा से महान गैसों को हटाने या क्सीनन (xenon) को पकड़ने और पुन: पेश करने के लिए काम करते हैं।

Source: DOI: 10.1038/s41467-020-16647-1

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