Nel 1989, durante un’audizione dinanzi alla sottocommissione per i trasporti e i materiali pericolosi degli Stati Uniti, una donna di nome Millie Smith rivelò di essere una dei 20.000 bambini che i Centri per il controllo delle malattie accertati erano stati esposti alle “pubblicazioni radioattive segrete di Hanford [Sito] . ” Secondo gli esperti, i 50 milioni di galloni di scorie nucleariospitato per decenni in cisterne sotterranee nel complesso di produzione nucleare di Hanford sul fiume Columbia, nello stato di Washington, rimane oggi uno dei peggiori disastri nucleari della storia. Il racconto della donna ha rivelato dozzine di casi di compagni vicini con malattie potenzialmente letali perché, come ogni altra catastrofe nucleare, gli effetti resilienti dei rifiuti pericolosi causano il caos ambientale. Con 450 reattori nucleari in funzione in 31 paesi in tutto il mondo, ciò che accade ai rifiuti nucleari usati è una preoccupazione seria.
Alla ricerca di modi per risolvere il problema delle scorie nucleari, gli scienziati hanno scoperto come riciclare il combustibile nucleare. I rifiuti di reattori nucleari possono essere recuperati in diversi modi, tra cui un metodo sviluppato dal l’ United States Department of Energy ‘s ( DOE ) Argonne National Laboratory nei 1970 s . Fino a poco tempo fa, gli ingegneri nucleari potevano riciclare il 95 percento del combustibile nucleare esaurito da un reattore, lasciando solo il cinque percento da stoccare come rifiuto a lungo termine. Tuttavia, gli scienziati di Argonne sono alla continua ricerca di modi per riutilizzare le scorie nucleari e l’anno scorso hanno sfruttato la flessibilità della stampa 3D come percorso perriciclare fino al 97% del combustibile usato prodotto dai reattori nucleari. Questo nuovo approccio potrebbe ridurre drasticamente la quantità di combustibile usato immagazzinato e il tempo che rimane pericoloso.
Come dettagliato in un articolo di Scientific Reports , gli scienziati di Argonne hanno parti stampate in 3D che aprono la strada al riciclaggio di più rifiuti nucleari che mai. I coautori Peter Kozak, Andrew Breshears e Alex Brown hanno riferito che il loro modello deriva da una tecnica scoperta nel 2013 chiamata Actinide Lanthanide Separation Process (ALSEP). Sostengono che, in passato, i ricercatori hanno faticato a trovare un modo per trasferire il loro lavoro dalla scala di laboratorio a una molto più industriale, ma ciò è cambiato in modo significativo grazie all’incorporazione della produzione additiva.
Per comprendere meglio il processo e le conseguenze della scoperta, abbiamo parlato con Kozak, un ingegnere chimico di Argonne, interessato alle applicazioni di produzione additiva per l’ingegneria nucleare. Kozak faceva parte del team di scienziati di Argonne che ha ridisegnato il processo ALSEP attorno a dispositivi chiamati contattori centrifughi (un dispositivo di estrazione con solvente utilizzato per la separazione di elementi chimici tra cui il ritrattamento di combustibile nucleare e la produzione di isotopi medici), che possono essere replicati attraverso la produzione additiva che offre flessibilità e velocità al processo. Con la stampa dei contattori e li collega tra loro, gli ingegneri di Argonne hanno raggiunto un processo ALSEP continuo.
“Negli ultimi 70 anni, l’estrazione con solvente è stata uno dei mezzi principali per separare i metalli pesanti dai metalli leggeri e gli uni dagli altri. Molti anni di sviluppo e avanzamento hanno prodotto diversi dispositivi che compiono questo processo, inclusi miscelatori-coloni e colonne di separazione. I contattori centrifughi possono mescolare, separare e pompare soluzioni utilizzando solo un singolo componente mobile e, di conseguenza, rappresentano il dispositivo più efficiente per i processi di estrazione da solvente da banco a grande scala “, ha descritto Kozak. “Immagina di decidere di fare una torta. Puoi usare una frusta a mano per sbattere le uova, montare la glassa e mescolare la pastella. È un sacco di lavoro usando la vecchia tecnologia. Se potessi, probabilmente useresti un mixer stand. In questa analogia, i vecchi mixer-coloni e colonne sono le tue fruste. I nostri contattori centrifughi sono i tuoi più recenti,
Secondo il documento pubblicato, praticamente ogni parte della banca di contattori è stata stampata in 3D, ad eccezione dei componenti elettrici come il motore e il cablaggio. Gli alloggiamenti dei contattori, i rotori e le linee inter-stage sono stati fabbricati tramite assemblaggio stereolitografico (SLA) in acrilico. I componenti strutturali sono stati stampati da polietilene tereftalato rinforzato con fibra di carbonio su una stampante a filamento. I materiali sono stati scelti in base alle loro proprietà di resistenza chimica e alla loro resistenza meccanica.
“Gli alloggiamenti dei contattori e i rotori sono stati fabbricati tramite assemblaggio stereolitografico su una stampante Formlabs Form 2. I componenti strutturali sono stati fabbricati mediante la fabbricazione di filamenti fusi su diverse macchine che abbiamo a nostra disposizione “, ha affermato Kozak.
Gli scienziati hanno utilizzato le risorse di stampa 3D disponibili presso l’Argonne National Laboratory per fabbricare i contattori per la dimostrazione su scala di banco. Per Kozak, i metodi AM semplificano il processo di fabbricazione e riducono i costi in termini di sforzo umano e materiali. Inoltre, l’assemblaggio strato per strato ha consentito la produzione di dispositivi fluidi complessi con canali interni come un singolo componente. Sfruttando la flessibilità, 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.
Lungo il percorso, gli scienziati hanno trovato due ulteriori vantaggi di utilizzare 3 D parti stampate. Il primo è che i contattori hanno offerto garanzie intrinseche contro la proliferazione nucleare. I tubi che collegano i 20 contattori scorrono all’interno di ciascun dispositivo, rendendo più difficile la deviazione del plutonio o di altro materiale radioattivo dal processo. Inoltre, Kozak ritenuto che “le 3 parti stampate D sono flessibili, quindi sarebbe facile ristampa e sostituire”. Questo è anche uno dei grandi vantaggi della stampa 3D oggi, se una parte si guasta, può essere facilmente ristampata e sostituita.
Anche dopo cinque anni di funzionamento in un reattore, si stima che rimanga ancora più del 90% dell’energia potenziale del combustibile . Ci sono anche alcuni progetti avanzati di reattori in sviluppo che potrebbero consumare o funzionare con combustibile nucleare usato in futuro e con circa 27 tonnellate di combustibile fresco richieste ogni anno da un reattore nucleare elettrico da 1000 Megawatt (MWe), usando l’opzione riciclata suona come il scelta migliore.
“Man mano che le fissioni di combustibile nucleare decadono e vengono irradiate all’interno del reattore, una parte del materiale fissile viene trasmutata in altri elementi, chiamati prodotti di fissione. Alcuni di questi prodotti di fissione interferiscono con la reazione di fissione e, di conseguenza, le aste devono essere sostituite una volta che circa il 95-97% del carburante è stato sottoposto a questo processo. Di conseguenza, la maggior parte delle scorie nucleari è effettivamente combustibile utilizzabile, se solo potesse essere separato e trasformato nuovamente in barre di combustibile. Il recupero iniziale di questo combustibile utilizzabile può essere effettuato in diversi modi, ma storicamente è stato realizzato utilizzando un processo di estrazione con solvente chiamato UREX, simile a ALSEP, e può essere effettuato utilizzando contattori centrifughi (compresi quelli fabbricati con AM). ”
Se gli scienziati hanno scoperto modi per riciclare il 97% delle scorie nucleari, cosa succede al restante 3%? Secondo Kozak, “la ragione principale per cui il 3% non viene riciclato non è dovuta a problemi tecnici, ma alla radioattività di basso livello e relativamente breve dei componenti. Il materiale semplicemente non è prezioso o abbastanza pericoloso da giustificare il costo del recupero e il deposito geologico è un’alternativa accettabile per quel 3%. Se parte del restante 3% dovesse diventare di valore per l’industria e i fornitori, allora potrebbe esserci una spinta tecnica per estrarli. Quindi non è una questione di difficoltà, ma una questione di valore aggiunto continuando il processo. “
Mentre questo metodo è ancora nelle sue prime fasi di studio, Kozak e i suoi colleghi ritengono che debba essere svolto più lavoro, quindi hanno in programma di continuare a esplorare nuovi modi per ridurre le dimensioni del processo e ottenere una maggiore separazione.
In realtà, Kozak ha affermato che “i contattori centrifughi non si troverebbero in tutti i siti nucleari negli Stati Uniti”. Inoltre, la “Commissione per la regolamentazione nucleare degli Stati Uniti (NRC) ha un processo di licenza e applicazione separato per i siti di combustibile esaurito rispetto ai reattori. Pertanto, le centrali nucleari e le centrali di ritrattamento del combustibile nucleare esaurito sarebbero in luoghi molto diversi e i contattori centrifughi sarebbero impiegati solo in un secondo momento.
“Attualmente gli Stati Uniti si trovano a fare affidamento su un ciclo del combustibile aperto e non viene effettuato alcun ritrattamento su larga scala per il combustibile nucleare esaurito commerciale. In questo momento, i gruppi di combustibile esaurito vengono rimossi dal reattore e vengono semplicemente immagazzinati in loco in varie posizioni sparse negli Stati Uniti in fusti di stoccaggio di combustibile esaurito accettati e autorizzati dalla NRC. In questo scenario, il carburante occupa solo spazio su più siti negli Stati Uniti “, ha descritto Kozak.
Storicamente, gli esperti hanno considerato l’energia nucleare come una fonte di energia elettrica consolidata e affidabile con un’impronta delle emissioni di gas serra paragonabile a quella dell’energia eolica e solare e, a causa della domanda di elettricità che aumenta di circa il doppio rispetto al consumo complessivo di energia, il mondo ha bisogno di un aumento dell’approvvigionamento energetico. Eppure un ostacolo al suo uso esteso è stato la gestione e la disposizione dei sottoprodotti radioattivi della fissione nucleare. Anche se l’energia nucleare fornisce a malapena oltre il 10% dell’elettricità mondiale, i rifiuti prodotti continuano a destare preoccupazione per governi, società e ONG. Ciò che gli scienziati di Argonne stanno proponendo li avvicina al riutilizzo di quasi il 100 percento del combustibile di scarto e aiuterebbe a superare le grandi sfide verso un futuro più sostenibile ed economico.
32783D, CFCT chemists group: Andrew Breshears, Peter Kozak, Alex Brown 
