Genbrug giver brugt nukleart brændsel nyt formål

Forestil dig at fylde din benzintank op med 10 liter gas, kører lige langt nok til at brænde en halv gallon og kassere resten. Derefter, gentage. Det er i bund og grund den praksis, som den amerikanske atomindustri følger.

Brugt nukleart brændsel fra kraftværker har stadig 95 % af sit potentiale til at producere elektricitet. De nuværende planer er at bortskaffe det brugte nukleare brændsel i et geologisk depot. Så, hvorfor bliver det ikke genbrugt? Det viser sig, at det er kompliceret at adskille brugbare kontra ubrugelige dele af brugt nukleart brændsel.

"Brugt nukleart brændsel indeholder omtrent halvdelen af ​​det periodiske system. Så, fra et kemisynspunkt, der sker meget, " sagde Gregg Lumetta, PNNL-kemiker og laboratoriestipendiat. "Og for at reducere spredningsrisikoen, det er bedst, hvis der ikke produceres rent plutonium på noget tidspunkt i separationsprocessen."

Forskere fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) udviklede en innovativ evne til hurtigt at adskille, overvåge, og nøje kontrol med specifikke uran- og plutoniumforhold i realtid - en vigtig præstation i effektiv kontrol af det resulterende produkt og sikring af nukleart materiale.

En twofer til genbrug af brugt nukleart brændsel

Med den stigende efterspørgsel efter kulfri strøm, atomkraft er en mulighed i det grønne energimix, især med avancerede reaktorer i horisonten. Endnu, der er stadig nogle store udfordringer at overvinde:hvad sker der med brugt nukleart brændsel, der i øjeblikket ikke bliver brugt, og hvordan driver vi avancerede reaktorer?

"Måske, disse udfordringer har den samme løsning – genanvendelse af brugt nukleart brændsel for at lave nyt brændsel, " sagde Amanda Lines, en PNNL-kemiker. "I en verden med øget energiefterspørgsel udfordret af voksende CO2-fodaftryk, hvordan kan vi bedre bruge brugt nukleart brændsel?"

Nye avancerede reaktorer kunne designes til at løbe fra genbrugsbrændsel. Men genanvendelse af brugt nukleart brændsel betyder, at man adskiller det energiproducerende plutonium fra alt andet i blandingen, mens det ikke adskilles i ren form, hvilket betragtes som en spredningsrisiko. Også, slutproduktet skal være et præcist forhold mellem uran og plutonium for at producere nyt brændsel, der kan genbruges i atomreaktorer.

Dekonstrueret salatdressing

At adskille brugt nukleart brændsel er som at forsøge at dekonstruere vinaigrette salatdressing med det mål at flytte ingredienser fra eddike til olie.

Den kemiske opslæmning føres ind i et centrifugebehandlingssystem, som ligner en gigantisk pilleæske, hvor hvert rum indeholder en rotor til blanding. Løsningen flyder fra den ene ende af systemet til den anden, blanding, centrifugering, tilføjer, eller trække forskellige kemiske komponenter fra undervejs. Gennem hele processen, Realtidsovervågning giver kritisk indsigt i, hvilke justeringer der skal foretages for at opretholde specifikke kemiske sammensætninger.

"Overvågning i realtid var afgørende for at bestemme nøjagtige kemiske grundstofforhold. Vi fokuserede virkelig på uran-plutonium-procenterne og vidste præcis, hvad de var på et givet tidspunkt, sagde Lines.

Realtidsovervågning forbedrer også effektiviteten, reducerer omkostningerne, og tager en etableret proces ind i en mere moderne og futuristisk verden.

"Ultimativt, det styrker forskere og operatører ved at levere næsten øjeblikkelig information for at hjælpe med at kontrollere og forstå kemiske processer, sagde Lines.

PNNL's overvågningsmuligheder i realtid har udviklet sig eksponentielt i løbet af de sidste 25 år, krydsende med en lang historie inden for brændstofgenanvendelse og separationsforskning.

Fra industriel til mikroskala

Separationsforskere stoler ofte på menneskeskabte, simuleret brugt nukleart brændsel for at efterligne de kemiske processer, fordi faktisk brugt nukleart brændsel er dyrt at anskaffe og studere. Imidlertid, simuleret brugt nukleart brændsel er også dyrt, især på det store, industrielle vægte, der er nødvendige for at studere bulk-genanvendelse og separationsprocesser.

For at løse den udfordring, PNNL har udviklet komplementære tilgange, der kan gøres på et meget mindre, og meget billigere, vægt. Ved hjælp af mikrofluidik, eller lab-on-a-chip, teknologi kombineret med overvågning i realtid, forskere kan spore kemiske processer på noget på størrelse med et objektglas.

"Vi kan køre de samme typer separationsundersøgelser og spore den nøjagtige sammensætning af uranbrændselskomponenter og fissionsprodukter gennem genbrugsprocesserne, svarende til, hvad der gøres i laboratorie- eller industriel skala, sagde Lines.

Forskerne er også i stand til at bruge faktisk brugt nukleart brændsel, fordi omfanget er så meget mindre. "Denne teknologi er omkostningseffektiv og giver utrolige muligheder for at udvikle og fremme genbrugstilgange, sagde Lines.

50+ år med genanvendelse og separationer af brugt nukleart brændsel

Fra at reducere mængden af ​​stråling i højradioaktivt affald til at udvikle en separationsproces til at fjerne farlige elementer i brugt brændsel, PNNL har en lang historie med at løse nogle af landets hårdeste udfordringer med brugt nukleart brændsel.

"Vi har fremmet brændselscyklusoperationer i årtier, "Lumetta sagde. "Dette seneste arbejde er en platform for os at udvide på, mens vi fortsætter med at forfølge kemiske separationer for avancerede brændstof-cyklus muligheder."