Seks grader af nuklear adskillelse

Argonne-forskere ser på 3D-print for at lette separationsangst, som baner vejen for at genanvende mere nukleart materiale.

Astronauter udskriver nu deres egne dele i rummet for at reparere den internationale rumstation. Forskere ved Harvard har netop opdaget en måde at printe organvæv på, et vigtigt skridt i retning af muligvis at skabe 3-D-printede biologiske organer. Dette er blot to eksempler på, hvordan 3-D print, eller additiv fremstilling, revolutionerer videnskab og teknologi.

Fremskridt inden for 3D-print er også klar til at transformere atomindustrien, efterhånden som videnskabsmænd høster fordelene ved at skabe fleksible materialer, dele og sensorer lag for lag. Additiv fremstilling kan endda hjælpe os med at genbruge brugt nukleart brændsel mere effektivt, ifølge et nyt afgørende gennembrud af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory.

Vi kan genbruge affald fra atomreaktorer på flere måder, herunder en metode udviklet af Argonne-forskere i 1970'erne. Med disse tilgange, atomingeniører kan genbruge 95 % af det brugte nukleare brændsel fra en reaktor, så kun fem procent skal opbevares som langtidsaffald. Men nu, for første gang, Argonne-forskere har printet 3D dele, der baner vejen for at genbruge endnu mere nukleart affald, som beskrevet i en artikel 6. september i Videnskabelige rapporter .

Reducere, genbruge, genbruge

Ved første øjekast, genanvendelse af yderligere to procent af nukleart affald lyder måske ikke af meget. Men det ville dramatisk reducere både mængden af ​​lagret affald og den tid, det forbliver farligt.

"I stedet for at opbevare fem procent i hundredtusinder af år, de resterende tre procent skal opbevares i maksimalt omkring tusind år, " sagde Andrew Breshears, en Argonne-atomkemiker og medforfatter. "Med andre ord, Dette ekstra trin kan reducere længden af ​​lagring næsten tusind gange." Og at nedbryde det nukleare materiale i en fjerde generations hurtigreaktor ville generere yderligere elektricitet.

For at nå dette mål, Argonne-forskere var først nødt til at adskille de højradioaktive actinid-isotoper americium og curium fra lanthaniderne, eller sjældne jordarters metaller, hvilken, for det meste, ikke er radioaktive.

Tilbage i 2013, kemiker Artem V. Gelis, nu med University of Nevada, Las Vegas, og hans Argonne-kolleger lavede en plan for at genbruge de ekstra to procent kaldet Actinide Lanthanide Separation Process (ALSEP).

Alligevel stod holdet over for en fælles videnskabelig udfordring:hvordan man konverterer deres arbejde fra reagensglas i et laboratorium til en større proces, der oversættes til en industriel skala. Det var her, additiv fremstilling kom ind.

Teamet redesignede ALSEP processen omkring enheder, der adskiller kemikalier, kaldet centrifugalkontaktorer. Argonne-ingeniør Peter Kozak printede flere kontaktorer og kædede dem sammen, at gøre en lille (og langsom) proces til en, hvor videnskabsmænd kan adskille aktinider fra lanthanider non-stop.

"Dette bygger bro mellem at adskille elementerne i laboratorieskala og i industriel skala, " sagde Breshears.

Lindring af separationsangst

For at gøre denne opdagelse, Argonne-forskere begyndte med simuleret nukleart brændsel, hvorfra uran, plutonium og neptunium var blevet ekstraheret via en modificeret Plutonium Uranium Reduction Extraction (PUREX) proces. Holdet tilføjede denne flydende blanding indeholdende americium og curium i den ene side af rækken af 20 kontaktorer. På den anden side, holdet tilføjede en blanding af industrielle kemikalier, der var designet til at adskille actiniderne.

Ved at følge en 36-trins adskillelsesplan, forskerne fjernede 99,9 % af actiniderne fra lanthaniderne. Dette var en slående bedrift, fordi begge sæt af elementer deler ens kemi. "Deres oxidationstilstande er de samme, gør dem meget svære at adskille, " sagde Breshears.

Langs vejen, forskerne fandt to yderligere fordele ved at bruge 3-D-printede dele. Den første er, at kontaktorerne tilbød iboende sikkerhedsforanstaltninger mod nuklear spredning. De rør, der forbinder de 20 kontaktorer, løber inde i hver enhed, gør det sværere at aflede plutonium eller andet radioaktivt materiale fra processen.

Den anden er, at 3D-printede dele er fleksible. "Hvis en del fejlede, det ville være nemt at genoptrykke og erstatte det. Vi kunne nemt tilføje eller fjerne trin, " sagde Kozak.

Selvom dette fremskridt er et skridt i den rigtige retning, der skal arbejdes mere. "Måske finder vi en ny måde at skære ned på størrelsen af ​​processen, " sagde Breshears. "Jo mere vi kan adskille aktiniderne, jo mere kan vi reducere den indvirkning, de har på offentligheden og miljøet."