Immagina di riempire il tuo serbatoio di benzina con 10 galloni di benzina, guidando abbastanza lontano da bruciare mezzo gallone e scartare il resto. Quindi, ripetere. Questa è essenzialmente la pratica che l'industria nucleare statunitense sta seguendo.

Il combustibile nucleare esaurito dalle centrali elettriche ha ancora il 95% del suo potenziale per produrre elettricità. I piani attuali sono di smaltire il combustibile nucleare esaurito in un deposito geologico. Così, perchè non viene riciclato? Si scopre che separare le parti utilizzabili da quelle inutilizzabili del combustibile nucleare esaurito è complicato.

"Il combustibile nucleare esaurito contiene circa la metà della tavola periodica. Quindi, dal punto di vista chimico, stanno succedendo molte cose, " disse Gregg Lumetta, Chimico del PNNL e borsista di laboratorio. "E per ridurre il rischio di proliferazione, è meglio se non si produce plutonio puro in nessun punto del processo di separazione."

I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno sviluppato una capacità innovativa per separare rapidamente, tenere sotto controllo, e controllare strettamente rapporti specifici di uranio e plutonio in tempo reale, un risultato importante per controllare in modo efficiente il prodotto risultante e salvaguardare il materiale nucleare.

Un riciclaggio di combustibile nucleare esaurito twofer

Con la crescente domanda di energia senza emissioni di carbonio, il nucleare è un'opzione nel mix di energia verde, in particolare con reattori avanzati all'orizzonte. Ancora, ci sono ancora alcune grandi sfide da superare:cosa succede al combustibile nucleare esaurito che attualmente non viene utilizzato, e come alimentiamo i reattori avanzati?

"Forse, queste sfide hanno la stessa soluzione:riciclare il combustibile nucleare esaurito per produrre nuovo combustibile, " ha detto Amanda Lines, un chimico del PNNL. "In un mondo di aumento della domanda di energia sfidato dalla crescente impronta di carbonio, come possiamo utilizzare meglio il combustibile nucleare esaurito?"

Nuovi reattori avanzati potrebbero essere progettati per far scorrere il combustibile riciclato. Ma riciclare il combustibile nucleare esaurito significa separare il plutonio che genera energia da tutto il resto nel mix senza separarlo in forma pura, che è visto come un rischio di proliferazione. Anche, il prodotto finale deve essere un preciso rapporto tra uranio e plutonio per produrre nuovo combustibile che possa essere riutilizzato nei reattori nucleari.

Condimento per insalata decostruito

Separare il combustibile nucleare esaurito è come cercare di decostruire il condimento per insalata di vinaigrette con l'obiettivo di spostare gli ingredienti dall'aceto all'olio.

Il liquame chimico viene immesso in un sistema di lavorazione a centrifuga, che sembra un gigantesco portapillole con ogni scomparto contenente un rotore per la miscelazione. La soluzione scorre da un'estremità all'altra del sistema, mescolando, centrifugazione, aggiungendo, o sottraendo diversi componenti chimici lungo il percorso. Durante tutto il processo, il monitoraggio in tempo reale fornisce informazioni critiche su quali adeguamenti devono essere effettuati per mantenere specifiche composizioni chimiche.

"Il monitoraggio in tempo reale è stato fondamentale per determinare i rapporti esatti degli elementi chimici. Ci siamo davvero concentrati sulle percentuali di uranio-plutonio e sapevamo esattamente cosa fossero in un dato momento, " ha detto Linee.

Il monitoraggio in tempo reale migliora anche l'efficienza, riduce i costi, e porta un processo consolidato in un regno più moderno e futuristico.

"In definitiva, consente a ricercatori e operatori fornendo informazioni quasi istantanee per aiutare a controllare e comprendere i processi chimici, " ha detto Linee.

Le capacità di monitoraggio in tempo reale di PNNL si sono evolute in modo esponenziale negli ultimi 25 anni, che si interseca con una lunga storia di ricerca sul riciclaggio dei combustibili e sulla separazione.

Dall'industria alla microscala

I ricercatori sulle separazioni spesso si affidano a prodotti dall'uomo, combustibile nucleare esaurito simulato per imitare i processi chimici perché il combustibile nucleare esaurito effettivo è costoso da acquisire e studiare. Però, anche il combustibile nucleare esaurito simulato è costoso, in particolare alla grande, scale industriali necessarie per studiare i processi di riciclaggio e separazione alla rinfusa.

Per affrontare questa sfida, PNNL ha sviluppato approcci complementari che possono essere realizzati a un livello molto più piccolo, e molto meno costoso, scala. Usando la microfluidica, o lab-on-a-chip, tecnologia abbinata al monitoraggio in tempo reale, i ricercatori possono monitorare i processi chimici su qualcosa delle dimensioni di un vetrino da microscopio.

"Possiamo eseguire gli stessi tipi di studi di separazione e tracciare l'esatta composizione dei componenti del combustibile di uranio e dei prodotti di fissione durante i processi di riciclaggio, simile a ciò che viene fatto in laboratorio o su scala industriale, " ha detto Linee.

I ricercatori sono anche in grado di utilizzare il combustibile nucleare esaurito effettivo perché la scala è molto più piccola. "Questa tecnologia è efficiente in termini di costi e offre incredibili opportunità per sviluppare e far progredire approcci di riciclaggio, " ha detto Linee.

Oltre 50 anni di riciclaggio e separazione del combustibile nucleare esaurito

Dalla riduzione della quantità di radiazioni nei rifiuti radioattivi ad alta attività allo sviluppo di un processo di separazione per rimuovere gli elementi pericolosi nel combustibile esaurito, PNNL ha una lunga storia nel risolvere alcune delle sfide più difficili del combustibile nucleare esaurito della nazione.

"Sono decenni che promuoviamo le operazioni sul ciclo del carburante, "Lumetta ha detto. "Questo lavoro più recente è una piattaforma su cui espandere mentre continuiamo a perseguire le separazioni chimiche per opzioni avanzate del ciclo del carburante".