Các công nghệ thông thường loại bỏ các khí phóng xạ vận hành ở các mức nhiệt độ cực thấp và tiêu tốn nhiều năng lượng. Do hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh, vật liệu mới có thể tiết kiệm năng lượng, làm cho qua trình tái chế sạch hơn và ít tốn kém hơn. Vật liệu tái chế này cũng có thể được tái sử dụng thương mại.

Công trình nghiên cứu này là sự hợp tác giữa các nhà thực nghiệm và các nhà lập mô hình máy tính để khám phá tính chất của các vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOF).

"Đây là một ví dụ tuyệt vời cho việc khám phá ra một loại vật liệu mới bằng cách lập mô hình máy tính. Thông thường, các kết quả thí nghiệm có tính thực tế hơn so với những kết quả tính toán nhưng lần này, việc lập mô hình máy tính cho chúng tôi thấy một cái gì đó mà các thí nghiệm đã không cho chúng tôi biết", Praveen Thallapally, nhà khoa học vật liệu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho biết.

Tái chế nhiên liệu hạt nhân có thể đưa đến việc tái sử dụng urani và plutoni (hai thành phần chính trong nhiên liệu đã qua sử dụng) trong khi nếu không được tái chế, chúng sẽ chỉ là chất thải mà thôi. Các nhà khoa học đang nghiên cứu các công nghệ cho phép quy trình tái chế nhiên liệu hạt nhân an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy để sử dụng trong tương lai.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế đa ngành đang nghiên cứu các loại vật liệu để thay thế cho các công đoạn tái chế tốn kém và không hiệu quả. Một công đoạn quan trọng là thu các khí phóng xạ xenon và krypton phát sinh trong quá trình tái chế. Để thu xenon và krypton, các công nghệ thông thường sử dụng phương pháp làm lạnh sâu trong đó toàn bộ các luồng khí được làm lạnh ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nước đóng băng, những phương pháp như vậy rất đắt tiền và tiêu tốn nhiều năng lượng.

Thallapally và các cộng sự tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (LBNL) đã nghiên cứu vật liệu MOF có thể bẫy xenon và krypton mà không cần đến các kỹ thuật làm lạnh sâu.

Những vật liệu này có các lỗ rỗ nhỏ xíu bên trong, nhỏ đến mức thường chỉ có một phân tử duy nhất có thể nằm gọn bên trong mỗi lỗ rỗ. Khi một loại khí có ái lực cho các vách của lỗ rỗ cao hơn so với các loại khí khác, MOF có thể được sử dụng để tách các hỗn hợp khí bằng cách hấp phụ một cách chọn lọc.

Để tìm được MOF tốt nhất cho phân tách xenon và krypton, các nhà hóa học điện toán do Haranczyk và Smit dẫn dắt đã sàng lọc 125.000 mẫu MOF để tìm ra mẫu MOF có khả năng bẫy các loại khí này. Mặc dù các khí này là khí phóng xạ nhưng chúng cũng thuộc nhóm khí trơ. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các tài nguyên thông tin điện toán tại Trung tâm Điện toán khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia (NERSC) tại LBNL.

"Việc xác định vật liệu tối ưu cho một quy trình nhất định, trong số hàng ngàn các cấu trúc khả thi, là một thách thức do số lượng rất lớn các loại vật liệu. Mặc dù có thể mất đến với giờ để mô phỏng đặc tính của từng loại vật liệu, toàn bộ quá trình sàng lọc này có thể mất nhiều tuần nếu sử dụng các siêu máy tính", Haranczyk nói. "Thay vào đó, chúng tôi đã phát triển một phương pháp đánh giá hiệu suất của vật liệu dựa trên các đặc điểm có thể dễ dàng tính toán của chúng. Trong trường hợp này, bảy đặc điểm khác nhau là cần thiết để dự đoán cách thức vật liệu hành xử và việc ứng dụng các kỹ thuật máy học do Cory Simon của nhóm chúng tôi phát triển đã làm tăng tốc đáng kể quá trình phát hiện vật liệu bằng cách loại bỏ những vật liệu không đáp ứng những tiêu chí đặt ra".

Mô hình của nhóm nghiên cứu đã tìm ra được MOF bãy xenon một cách chọn lọc nhất và có kích thước lỗ rỗ gần bằng kích thước của một nguyên tử xenon đó là SBMOF-1, sau đó họ thử nghiệm loại vật liệu này trong phòng thí nghiệm tại PNNL.

Sau khi tối ưu hóa việc chế tạo SBMOF-1, Thallapally và các cộng sự tại PNNL thử nghiệm vật liệu này bằng cách cho một hỗn hợp khí đi qua nó, bao gồm cả một dạng phi phóng xạ của xenon và krypton, và đo lường những khí đi ra ở đầu kia. Tất cả các khí oxy, heli, nitơ, krypton và carbon dioxide đều thoát ra trừ xenon. Điều này cho thấy xenon bị mắc kẹt trong các lỗ rỗng của SBMOF-1 cho đến khi khí này lấp đầy các lỗ rỗ của vật liệu.

Các thí nghiệm khác cũng cho thấy khi không có sự hiện diện của xenon, SBMOF-1 thu giữ krypton. Sau đó, trong quá trình phân tách thực tế, các nhà vận hành sẽ cho các dòng khí này đi qua SBMOF-1 hai lần để thu cả hai loại khí.

Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm khả năng của SBMOF-1 giữ xenon trong các điều kiện độ ẩm cao. Độ ẩm làm cản trở các kỹ thuật làm lạnh sâu và khí phải được khử nước trước khi đưa vào bằng phương pháp làm lạnh sâu do đó tiêu tốn nhiều thời gian. Tuy nhiên, SBMOF-1 thực hiện khá tốt, giữ lại hơn 85 phần trăm lượng xenon ở độ ẩm cao tương tự hiệu suất nó hoạt động trong các điều kiện khô ráo.

Bước cuối cùng của quá trình thu khí xenon và krypton là đặt vật liệu MOF trong môi trường chân không, hút khí này ra khỏi các khung phân tử để lưu trữ an toàn. Một thử nghiệm cuối cùng trong phòng thí nghiệm kiểm tra mức độ ổn định của vật liệu bằng cách liên tục cho vật liệu thấm đẫm khí xenon và sau đó hút khí xenon ra. Sau 10 chu kỳ như vậy, SBMOF-1 thu lượng khí xenon tương đương với chu kỳ đầu tiên, cho thấy mức độ ổn định cao để có thể sử dụng lâu dài.

Thallapally cho rằng thuộc tính ổn định này là do cách thức SBMOF-1 tương tác với xenon. Thay vì các phản ứng hóa học giữa các khung phân tử và các khí này, mối quan hệ này thuần túy là vật lý. 

Dựa trên các kết quả của công trình nghiên cứu này, các nhà khoa học có thể tiếp tục nghiên cứu SBMOF-1 và các MOF khác để tái chế nhiên liệu hạt nhân. Những MOF này cũng có thể thu các loại khí trơ khác như radon, một loại khí được biết có nhiều trong một số lớp đáy.