Fjernelse af cæsium:Løsninger på et kemisk komplekst problem

56 millioner gallons. Det er mængden af ​​radioaktivt tankaffald, der er efterladt på Hanford-stedet som et resultat af den hemmelige regeringsmission for at levere plutonium til verdens første atomvåben og den kolde krig, der fulgte. I dag er Hanford Site kendt som en af ​​verdens mest teknisk komplekse miljømæssige udfordringer.

"Mængden af ​​ældre affald, der skal behandles, og omkostningerne ved at gøre det er astronomiske. Det er en enorm mængde penge, og indtil det problem er løst, bliver vi nødt til at blive ved med at overvåge tankene," sagde Reid Peterson, kemiingeniør. ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Peterson har brugt næsten tre årtier på at arbejde med tankaffaldsspørgsmål for Department of Energy (DOE) Office of Environment Management sites. Han var en del af en national reaktion på at kontrollere, at benzengas bøvser i en affaldstank på Savannah River Site ikke nåede brændbare grænser. Han hjalp med at udvikle forskellige kemiske separationsteknikker. Men blandt hans mange bidrag til udfordringen med at rense så kemisk komplekst radioaktivt affald op, står én indsats over andre:at fange cæsium-137.

Cæsium-137 er for det meste menneskeskabt. Det findes i store mængder i atomaffald, fordi det er et biprodukt af fremstilling af plutonium, et nødvendigt skridt i atomvåbenproduktion. Forskere har opdaget, hvordan man sikkert opbevarer dette radioaktive affald i glas, men før det kan ske, skal en del af væsketankaffaldet behandles for at fjerne det meste af cæsium-137.

Det skyldes, at den type gammastråling, den udsender - energi højere end røntgenstråler - kan trænge gennem den menneskelige krop og endda gennem stål, hvilket gør det for farligt for arbejdere at betjene og vedligeholde den behandlingsteknologi, der bruges til at lave lavaktivt affaldsglas. Det har været Petersons udfordring i over et årti. Fra i dag, med støttende forskning fra PNNL, har personalet hos Hanford fjernet cæsium fra mere end 697.000 liter tankaffald – en væsentlig milepæl i oprydningsfremskridt i Hanford.

Udviklingen af ​​teknologi til fjernelse af cæsium

I 2008 demonstrerede Peterson og andre forskere ved PNNL med succes i et pilotprojekt, at de kunne fjerne cæsium ved hjælp af et system ved siden af ​​en atomaffaldstank. At tilslutte et fjernelsessystem direkte i en enkelt tank viste sig at være en omkostningseffektiv tilgang.

Demonstrationen viste sig vigtig, da et jordskælv og den resulterende tsunami tre korte år senere forårsagede en atomnedsmeltning ved Fukushima Daiichi-atomkraftværket i Japan. Cæsiumfjernelsesteknologi måtte accelereres og indsættes hurtigt som reaktion på ulykken.

"Inden for få dage efter begivenheden tog jeg til DC for at lave en gennemgang af, hvilken teknologi der skulle bruges," sagde Peterson. "Jeg tog flere gange til Fukushima for at gennemgå deres teknologier til fjernelse af cæsium. Vi passerede de reaktorer, der var sprængt i luften, og mit dosimeter ville ringe, mens vi kørte forbi, fordi der var så meget stråling."

Holdet modtog en DOE Secretary's Award i 2011 for det svar.

Fukushima-oprydningsindsatsen tjente som en katalysator for implementering af lignende systemer på Savannah River Site og til sidst ved Hanford. I realtid kunne verden se effektiviteten af ​​teknologien.

Fjernelse af cæsium, fem gallons i minuttet

Peterson er projektlederen, der bragte cæsiumfjernelsesteknologien fra bænkskala til demonstration i fuld højde, hvilket giver tankfarmoperatøren tillid til at fortsætte med fuldskaladrift. På Hanford-stedet kaldes det TSCR-systemet (Tank-Side Cesium Removal).

TSCR forbehandler affald i et system bygget inde i en fragtcontainer, hvor stålsøjler placeres inde med en gaffeltruck. Tankaffald føres gennem et filter og strømmer ind i en kolonne. Inde i søjlen er ionbyttermedier, bestående af en blanding af silica og titanium som hovedingredienserne. Ionbyttermediet ligner små hvide perler, og selvom de er små, har de en mægtig kraft - de fanger cæsium.

"Denne ting elsker cæsium," sagde Peterson om ionbyttermediet. "Når væsken strømmer gennem filteret og ind i kolonnen, opsuger mediet det meste."

Det er en indviklet balance mellem at få væskestrømmens hastighed helt rigtigt, så mediet har tid nok til at opsuge cæsium.

Peterson og hans team hos PNNL efterligner TSCR i mindre skala i en speciel laboratorieopstilling på Hanford-stedet kaldet Radioactive Waste Test Platform.

"Med Radioactive Waste Test Platform ved vi med sikkerhed, at TSCR fungerer, som det skal, fordi vi har alle disse laboratoriedata, der passer perfekt til systemets ydeevne," sagde han.

Når kolonnen er fuld, sættes systemet på pause, og kolonnen erstattes med en anden. Hanford TSCR-systemet har været i drift siden januar 2022. Det kan køre 24/7 med en flowhastighed på 5 gallons forbehandlet affald i minuttet. Men hvad sker der med affaldet, når det først er forbehandlet?

Fra radioaktiv væske til stabilt glas

TSCR er trin et i det større mål at stabilisere flydende affald til glas - bogstaveligt talt at gøre det til en del af glasstrukturen - ved hjælp af en proces kaldet forglasning. Personale hos Hanford vil bruge forglasningsteknologi til at blande forbehandlet affald med glasdannende materialer, opvarme det til over 1.150°C i en højtemperatursmelter og hælde det smeltede glas i store stålbeholdere, hvor det afkøles og størkner til langtidsbortskaffelse .

"Før Hanford 'Vit Plant' starter op, skal 800.000 liter tankaffald forbehandles og klar til at gå," sagde Peterson.

Forbehandling er et vigtigt skridt af to hovedårsager:sikkerhed og omkostninger.

"Vi ønsker at være i stand til at udføre kontaktvedligeholdelse på udstyret i modsætning til at skulle gøre alting eksternt," sagde Peterson. "Uden cæsium blev fjernet først, ville du skulle have en 6 fod tyk væg af betonbeskyttelse, og hele designkonceptet ville skulle ændres, hvilket også ville føre til højere omkostninger."

Hanford Vit Plant, formelt kaldet Waste Treatment and Immobilization Plant, er i øjeblikket planlagt til at starte i drift i 2025. Selvom mere end 697.000 gallons er en stor milepæl, er det kun et lille hak i affaldet, der stadig venter på forbehandling. Et opfølgningsprojekt kunne muligvis fremskynde forbehandlingsprocessen ved at bringe TSRC til en meget større skala.

"Jeg startede denne karriere for 29 år siden og har holdt fast i den, fordi det er et stort problem at løse," sagde Peterson, som for nylig blev hædret for denne dedikation til kemiteknik af AIChE Nuclear Engineering Division med Robert E. Wilson Award.

"Jeg får en note hver dag med, hvor mange gallons TSCR har behandlet," sagde han. "At være i stand til at støtte noget, der er oppe og køre - og kører effektivt - føles som om vi gør virkelig vigtige fremskridt."

Leveret af Pacific Northwest National Laboratory