Các nhà khoa học công tác tại Đại học nghiên cứu hạt nhân quốc gia MEPhI của Nga đã nghiên cứu khả năng sử dụng một loại molybden biến đổi đồng vị để thay thế hợp kim zirconium — loại vật liệu đang được sử dụng trong vỏ bọc thanh nhiên liệu hạt nhân cho lò phản ứng, và đã chứng minh rằng bằng cách này có thể nâng cao độ an toàn của các lò phản ứng hạt nhân. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Chemical Engineering Research and Design.

Sản xuất ống zirconium dành cho các thành tố phân tách nhiên liệu tại cơ sở thuộc Công ty Cổ phần "Nhà máy tinh chất hóa học Novosibirsk".

Nhiên liệu hạt nhân khác biệt hẳn so với các loại nhiên liệu khác do con người sử dụng, bởi vì đây là một loại nhiên liệu rất nguy hiểm và phức tạp trong ứng dụng. Nó được sử dụng dưới dạng uranium dioxide (UO2): các hạt có kích thước vài cm được đặt vào các thanh nhiên liệu hạt nhân bịt kín trong lò phản ứng hạt nhân.

Vỏ bọc thanh nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân phải đáp ứng các yêu cầu đặc biệt: phải có khả năng chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt, và không ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ neutron trong lò phản ứng.

Hiện nay, hợp kim zirconium là loại vật liệu chính được sử dụng để làm vỏ bọc thanh nhiên liệu ở hầu hết các nhà máy điện hạt nhân dân dụng tại Nga. Vật liệu này có khả năng chống ăn mòn cao trong nước và có mặt cắt neutron nhiệt nhỏ (ở đây nói về tính chất của vật chất trong đó các hạt cơ bản (neutron) có khả năng tương tác với hạt nhân nguyên tử). Mặt cắt càng nhỏ, thì càng thấp xác suất các neutron ảnh hưởng đến đặc tính của vật liệu được dùng để làm vỏ bọc thanh nhiên liệu.

Tuy nhiên, hóa ra, các hợp kim zirconium cũng có những nhược điểm đáng kể. Cụ thể, các hợp kim này sinh nhiệt trong nước và thải ra hydro, làm tăng tốc sự xuống cấp vỏ bọc thanh nhiên liệu. Điều này xảy ra trong quá trình zirconium phản ứng với hơi nước khi nhiệt độ vượt quá 700 độ C, tình trạng này là rất nguy hiểm và có thể dẫn đến tai nạn tại các nhà máy điện hạt nhân làm mát bằng nước. Phản ứng zirconium được tuyên bố là nguyên nhân chính đã gây ra tai nạn tại Nhà máy điện hạt nhân Fukushima của Nhật Bản.

Do đó, các nhà khoa học từ lâu thảo luận về khả năng thay thế hợp kim zirconium bằng kim loại chịu lửa là molypden. Hợp kim molypden cũng như zirconium có khả năng chống ăn mòn cao, nhưng có đặc tính dẫn nhiệt cao hơn zirconium.

Song, trong quá trình sử dụng molybden cũng xuất hiện những khó khăn nhất định. Ví dụ, đòi hỏi việc làm giàu uranium ở mức cao hơn, mà điều đó làm cho quy trình công nghệ trở nên đắt hơn nhiều.

Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách thay đổi thành phần đồng vị molypden ở trạng thái tự nhiên trong các dàn máy ly tâm khí, cụ thể là loại bỏ 7 đồng vị và chỉ để lại một đồng vị nặng nhất (Mo 100) với mặt cắt neutron nhiệt tương tự như zirconium.

Phương pháp ly tâm để tách đồng vị cho phép biến đổi hỗn hợp các đồng vị molypden sao cho mặt cắt của nó sẽ là tương tự hoặc thậm chí nhỏ hơn zirconium.

Các nhà khoa học đã so sánh hiệu quả của một số phương pháp tách đồng vị molypden có những đòi hỏi khác nhau đối với mặt cắt neutron trong sản phẩm cuối cùng. Cuộc nghiên cứu đã được thực hiện với sự hỗ trợ của Quỹ Nghiên cứu cơ bản Nga trong khuôn khổ chương trình hợp tác giữa Đại học MEPhI với Khoa Vật lý kỹ thuật của Đại học Thanh Hoa (Bắc Kinh, Trung Quốc).

Kết quả cho thấy rằng, phương pháp hiệu quả nhất để phân tách đồng vị có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một dàn hình vuông gồm mấy ngăn hoặc hai dàn — tùy theo mặt cắt ngang neutron trong sản phẩm cuối cùng — molybden biến đổi đồng vị./.