GLI SCIENZIATI DI DOE ARGONNE USANO LA STAMPA 3D PER RICICLARE IL 97 PERCENTO DEL COMBUSTIBILE NUCLEARE USATO
Gli scienziati del Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno utilizzato la stampa 3D per creare un nuovo metodo di riutilizzo delle scorie nucleari, che potrebbe consentire di riciclare fino al 97%.
Il nuovo processo potrebbe aumentare la percentuale di carburante che gli scienziati sono in grado di riutilizzare dal 95 percento con i processi esistenti al 97 percento. Anche se inizialmente potrebbe non rappresentare un progresso importante, potrebbe ridurre in modo significativo la quantità di carburante usato che deve essere immagazzinato e il tempo per cui rimane pericoloso.
“Invece di immagazzinare il cinque percento per centinaia di migliaia di anni, il restante tre percento deve essere conservato per un massimo di circa mille anni”, ha dichiarato Andrew Breshears, chimico nucleare di Argonne e coautore. “In altre parole, questo passaggio aggiuntivo può ridurre la lunghezza della memoria di quasi mille volte.”
Mentre l’energia nucleare è una fonte consolidata e affidabile di energia elettrica, una barriera all’espansione è la gestione e l’eliminazione dei sottoprodotti radioattivi della fissione nucleare. Se il tasso di scarico del combustibile esaurito rimane al suo livello attuale, i 98 reattori commerciali nucleari commerciali negli Stati Uniti dovranno immagazzinare 126.000 tonnellate di combustibile nucleare usato (UNF) entro il 2040.
Gli scienziati di Argonne hanno scoperto che il 97 percento del contenuto fissionabile di questo combustibile poteva essere recuperato e riutilizzato. Per raggiungere questo obiettivo, hanno esteso il processo di separazione dell’attanturo di lantanide (ALSEP) che è stato introdotto nel 2013, al fine di separare i cosiddetti attinidi minori (MA), tra cui nettunio (Np), americium (Am) e curio (Cm ).
Utilizzando un metodo di estrazione da liquido a liquido a causa della loro velocità e vantaggi di compatibilità, il nuovo processo è progettato per essere il metodo più semplice e standardizzato possibile, basato su regolazioni minime e producendo la massima stabilità. La stampa 3D viene utilizzata nel processo per creare una banca di contattori centrifughi da 1,25 cm. Una volta collegati, i contattori consentono un ciclo di ritrattamento continuo.
Il nuovo metodo inizia alla fine del processo esistente di estrazione di riduzione dell’uranio plutonio (PUREX), con combustibile nucleare da cui sono stati estratti uranio, plutonio e nettunio. Questa miscela liquida viene introdotta in un lato di una fila di 20 contattori stampati in 3D e una miscela di prodotti chimici industriali progettata per separare gli attinidi viene inserita nell’altro. Le centrifughe vengono quindi centrifugate per creare una forza esterna (o centrifuga) che separa le sostanze all’interno.
Durante i test effettuati nei laboratori di ricerca di Argonne, l’americio e la Cm sono stati separati dai lantanidi con un completamento di oltre il 99,9 percento. La somma delle impurità del flusso di prodotti Am / Cm usando il raffinato simulato è stata trovata a 3,2 × 10 −3 g / L. Inoltre, sono stati raggiunti fattori di separazione di quasi 100 per 154 Eu su 241 Am, indicando che il processo era scalabile su scala ingegneristica.
I contattori centrifughi erano fondamentali per il processo e la stampa 3D consentiva di fabbricare i dispositivi per fluidi complessi con canali interni e come singolo componente. Inoltre, più fasi del contattore sono state integrate in singoli moduli multi-fase, riducendo lo sforzo richiesto per l’installazione ed eliminando potenziali punti di guasto.
L’uso della stampa 3D per produrre i contattori non solo accelera il processo, ma il design dei dispositivi offre un ulteriore livello di protezione contro la proliferazione nucleare. I tubi che collegano i 20 contattori scorrono all’interno di ciascun dispositivo rendendo difficile l’accesso e il trasferimento dei materiali radioattivi alle pratiche nucleari non civili.
Dopo un piano di 36 fasi e impiegando più di 20 ore per completare la separazione, il metodo è ancora nelle sue prime fasi di sviluppo. I ricercatori stanno continuando a esplorare nuovi modi per ridurre le dimensioni del processo e ottenere una maggiore separazione.
Il team di ricerca di Argonne ha sviluppato e sperimentato nuove applicazioni della tecnologia di stampa 3D per un po ‘di tempo e ha annunciato nel marzo 2020 di aver ridimensionato con successo il riciclaggio dell’isotopo molibdeno-99 utilizzando parti stampate in 3D. Utilizzando il nuovo apparato, si aspettano di aumentare l’efficienza del processo di riciclaggio, consentendo ai produttori di produrre più Mo-99 dalle loro costose riserve di molibdeno arricchite.
Lavorando con scienziati della Carnegie Mellon University nel febbraio dello scorso anno, i ricercatori di Argonne hanno utilizzato l’imaging a raggi X ad alta velocità per studiare l’effetto del buco della serratura nella stampa 3D di metallo a base di polvere. La ricerca ha aiutato i produttori di stampa 3D a comprendere meglio come si sviluppano i pori nei metalli durante il processo di stampa e fornire prodotti per uso finale che sono meno inclini a screpolature e debolezza generale.
Allo stesso modo, lavorando con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, i ricercatori dell’Argonne National Laboratory hanno prodotto un ‘ ” immersione profonda ” nella fusione laser che avviene all’interno di stampanti 3D metalliche. Lo studio ha contribuito a un corpo di ricerca che cerca di migliorare il processo di produzione additiva e aumentare l’adozione nelle industrie di tutto il mondo.
I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Chiusura del ciclo del combustibile nucleare con un processo semplificato di separazione dei lantanidi di attinidi minori (ALSEP) e produzione additiva “, che è stato pubblicato sulla rivista Scientific Reports a settembre 2019. Il documento è stato co-autore di Artem V. Gelis, Peter Kozak, Andrew T. Breshears, M. Alex Brown, Cari Launiere, Emily L. Campbell, Gabriel B. Hall, Tatiana G. Levitskaia, Vanessa E. Holfeltz e Gregg J. Lumetta.
