一个典型核反应堆，在产生能量的反应自然终止之前，只使用其燃料棒一小部分来发电。剩下的是各种各样的放射性元素，包括未使用的燃料，一般作为核废料处理。尽管从废料中回收的某些元素可以用来为新一代核反应堆提供动力，但如何防止可能误用的方式提取剩余燃料是一个持续的挑战。

现在，德州农工大学的工程研究人员已经设计出一种简单的、防扩散的方法来分离核废料的不同成分。在《工业与工程化学研究》( & )杂志2月号上发表的文章中，描述了这种 一步化学反应，其结果是形成了包含所有均匀分布的剩余核燃料元素的晶体。

研究人员还指出，回收方法的简单性使得从实验室到工业的转化成为可能。

“我们的回收策略可以很容易地整合到一个化学流程表中，用于工业化规模的实施，”德州A&M工程实验站核工程与科学中心的研究科学家乔纳森·伯恩斯说。“换句话讲，这个反应可以重复多次，以最大限度地提高燃料回收率，并进一步减少放射性核废料。”

核反应堆产生能量的基础是热核分裂。在这个反应中，一个重原子核，通常是铀，当被称为中子的亚原子粒子撞击时，变得不稳定，分裂成更小、更轻的元素。然而，铀可以吸收中子，并逐渐变重，形成元素，如镎、钚和镅，然后再一次分裂和释放能量。

随着时间的推移，这些裂变反应导致核反应堆中较轻元素的积累。 但大约有一半的裂变产物被认为是中子毒药——它们也像使用过的核燃料一样吸收中子，留下更少的中子用于裂变反应，最终使能量生产停止。

因此，用过的燃料棒含有裂变产物、剩余的铀和少量的钚、镎和镅。目前，这些物品在美国被统称为核废料，由于其高放射性，注定要被存放在地下储存库中。

伯恩斯说:“核废料是一个双管齐下的问题。“首先，几乎95%的燃料原料都没有使用，第二，我们产生的废物中含有长期存在的放射性元素。例如，镎和镅可以持续并辐射几十万年。”

科学家们已经在分离铀、钚和镎方面取得了一些成功。然而，这些方法非常复杂，在分离镅方面收效甚微。此外，伯恩斯说，美国能源部要求回收战略具有防扩散能力， 这意味着可用于武器的钚在回收过程中绝不能与其他核燃料元素分离。

为了解决核废料回收未被满足的需求， 研究人员调查了是否存在一种简单的化学反应，可以将所有需要的用过的核燃料化学元素分离在一起。

从早期的研究中，研究人员知道在室温下，铀在强硝酸中形成晶体。在这些晶体中，铀原子以一种独特的方式排列——一个中心铀原子被夹在两侧的两个氧原子之间，与每个氧原子共用6个电子。

伯恩斯说:“ 我们立即意识到，这种晶体结构可能是分离钚、镎和镅的一种方法，因为所有这些重元素都和铀同属一个家族。”

研究人员假设，如果钚、镎和镅与氧的成键结构与铀相似，那么这些元素就会自动整合到铀晶体中。

在他们的实验中，他们在60-90摄氏度的高浓硝酸中制备了铀、钚、镎和镅的替代溶液，以模拟燃料棒在强酸中溶解的过程。他们发现，当溶液达到预期的室温时，铀、镎、钚和镅一起从溶液中分离出来，并均匀地分布在晶体中。

伯恩斯指出，这种简化的单步过程也具有防扩散能力，因为钚不是孤立的，而是与铀晶体结合在一起的。

伯恩斯说:“我们的想法是，从我们规定的化学反应中产生的再处理燃料可以用于未来的反应堆，这些反应堆不仅可以像现在的大多数反应堆一样燃烧铀，还可以燃烧其他重元素，如镎、钚和镅。”“除了解决燃料回收问题和减少扩散风险外，我们的方法还将大幅减少核废料，使其只局限于具有数百年而不是数十万年放射性的裂变产物。”