En ny måde at fjerne forurenende stoffer fra nukleart spildevand

Atomkraft fortsætter med at ekspandere globalt, drevet, delvis, ved, at den producerer få drivhusgasemissioner, samtidig med at den giver en stabil effekt. Men sammen med denne udvidelse kommer et øget behov for at håndtere de store mængder vand, der bruges til at køle disse anlæg, som bliver forurenet med radioaktive isotoper, der kræver særlig langtidsdeponering.

Nu, en metode udviklet på MIT giver en måde at reducere mængden af ​​forurenet vand, der skal bortskaffes væsentligt, i stedet for at koncentrere forureningen og lade resten af ​​vandet genbruges gennem anlæggets kølesystem. Det foreslåede system er beskrevet i journalen Miljøvidenskab og -teknologi , i et papir af kandidatstuderende Mohammad Alkhadra, professor i kemiteknik Martin Bazant, og tre andre.

Metoden gør brug af en proces kaldet chokelektrodialyse, som bruger et elektrisk felt til at generere en deioniseringschokbølge i vandet. Chokbølgen skubber de elektrisk ladede partikler, eller ioner, til den ene side af et rør fyldt med ladet porøst materiale, så koncentreret strøm af forurenende stoffer kan adskilles fra resten af ​​vandet. Gruppen opdagede, at to radionuklidforurenende stoffer - isotoper af kobolt og cæsium - selektivt kan fjernes fra vand, der også indeholder borsyre og lithium. Efter at vandstrømmen er renset for dens kobolt- og cæsiumforureninger, det kan genbruges i reaktoren.

Chokelektrodialyseprocessen blev oprindeligt udviklet af Bazant og hans medarbejdere som en generel metode til at fjerne salt fra vand, som demonstreret i deres første skalerbare prototype for fire år siden. Nu, holdet har fokuseret på denne mere specifikke applikation, som kunne bidrage til at forbedre økonomien og miljøpåvirkningen af ​​fungerende atomkraftværker. I løbende forskning, de fortsætter også med at udvikle et system til fjernelse af andre forurenende stoffer, herunder bly, fra drikkevand.

Ikke alene er det nye system billigt og skalerbart til store størrelser, men i princippet kan den også håndtere en bred vifte af forurenende stoffer, siger Bazant. "Det er en enkelt enhed, der kan udføre en lang række adskillelser til enhver specifik applikation, " han siger.

I deres tidligere afsaltningsarbejde, forskerne brugte målinger af vandets elektriske ledningsevne til at bestemme, hvor meget salt der blev fjernet. I årene siden da holdet har udviklet andre metoder til at detektere og kvantificere detaljerne om, hvad der er i det koncentrerede radioaktive affald og det rensede vand.

"Vi måler omhyggeligt sammensætningen af ​​alle de ting, der går ind og ud, " siger Bazant, hvem er E.G. Roos professor i kemiteknik samt professor i matematik. "Dette åbnede virkelig en ny retning for vores forskning." De begyndte at fokusere på separationsprocesser, der ville være nyttige af sundhedsmæssige årsager, eller som ville resultere i koncentrering af materiale, der har høj værdi, enten til genbrug eller til at kompensere for bortskaffelsesomkostninger.

Metoden de udviklede virker til afsaltning af havvand, men det er en relativt energikrævende proces for den applikation. Energiomkostningerne er dramatisk lavere, når metoden bruges til ion-selektiv adskillelse fra fortyndede strømme såsom kølevand på atomkraftværker. For denne ansøgning, som også kræver dyr bortskaffelse, metoden giver økonomisk mening, han siger. Det rammer også begge holdets mål:at håndtere materialer af høj værdi og hjælpe med at beskytte sundheden. Anvendelsens omfang er også betydelig - et enkelt stort atomkraftværk kan cirkulere omkring 10 millioner kubikmeter vand om året gennem sit kølesystem, siger Alkhadra.

Til deres test af systemet, forskerne brugte simuleret nukleart spildevand baseret på en opskrift leveret af Mitsubishi Heavy Industries, som sponsorerede forskningen og er en stor bygherre af atomkraftværker. I holdets test, efter en tre-trins separationsproces, de var i stand til at fjerne 99,5 procent af kobolt-radionukliderne i vandet, mens de tilbageholdt omkring 43 procent af vandet i oprenset form, så det kunne genbruges. Så meget som to tredjedele af vandet kan genbruges, hvis oprensningsniveauet skæres ned til 98,3 procent af de forurenende stoffer, der fjernes, holdet fandt.

Mens den overordnede metode har mange potentielle anvendelser, separation af nukleart spildevand, er "et af de første problemer, vi tror, ​​vi kan løse [med denne metode], som der ikke findes nogen anden løsning på, " siger Bazant. Intet andet praktisk, sammenhængende, der er fundet en økonomisk metode til at adskille de radioaktive isotoper af kobolt og cæsium, de to vigtigste forurenende stoffer i nukleart spildevand, tilføjer han.

Mens metoden kunne bruges til rutinemæssig oprydning, det kan også gøre en stor forskel i håndteringen af ​​mere ekstreme tilfælde, såsom millioner af liter forurenet vand på det beskadigede Fukushima Daichi kraftværk i Japan, hvor ophobningen af ​​det forurenede vand har truet med at overmande indeslutningssystemerne designet til at forhindre det i at lække ud i det tilstødende Stillehav. Mens det nye system indtil videre kun er blevet testet i meget mindre skalaer, Bazant siger, at sådanne storstilede dekontamineringssystemer baseret på denne metode kan være mulige "inden for få år."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.