Cinquantasei milioni di galloni. Questa è la quantità di rifiuti radioattivi dei serbatoi lasciati nel sito di Hanford a seguito della missione segreta del governo di fornire il plutonio per le prime armi atomiche del mondo e della Guerra Fredda che ne seguì. Oggi, il sito di Hanford è conosciuto come una delle sfide ambientali tecnicamente più complesse al mondo.
"La quantità di rifiuti esistenti che devono essere trattati e il costo per farlo sono astronomici. Si tratta di un'enorme quantità di denaro e finché il problema non sarà risolto, dovremo continuare a monitorare i serbatoi", ha affermato Reid Peterson, ingegnere chimico. presso il Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale (PNNL).
Peterson ha trascorso quasi tre decenni lavorando su questioni relative ai rifiuti dei serbatoi per i siti dell'Ufficio di gestione ambientale del Dipartimento dell'Energia (DOE). Faceva parte di una risposta nazionale per impedire che i rutti di gas benzene in un serbatoio di rifiuti del sito di Savannah River raggiungessero i limiti di infiammabilità. Ha contribuito a sviluppare diverse tecniche di separazione chimica. Ma tra i suoi numerosi contributi alla sfida di ripulire rifiuti radioattivi così complessi dal punto di vista chimico, uno sforzo supera gli altri:catturare il cesio-137.
Il cesio-137 è per lo più prodotto dall’uomo. Si trova in grandi quantità nelle scorie nucleari perché è un sottoprodotto della produzione del plutonio, un passaggio necessario nella produzione di armi nucleari. Gli scienziati hanno scoperto come conservare in modo sicuro questi rifiuti radioattivi nel vetro, ma prima che ciò possa accadere, una parte dei rifiuti liquidi del serbatoio deve essere trattata per rimuovere la maggior parte del cesio-137.
Questo perché il tipo di radiazione gamma che emette – energia superiore ai raggi X – può penetrare attraverso il corpo umano e persino attraverso l’acciaio, rendendo troppo pericoloso per i lavoratori utilizzare e mantenere la tecnologia di lavorazione utilizzata per produrre vetro di scarto a bassa attività. Questa è stata la sfida di Peterson per oltre un decennio. Ad oggi, con il supporto della ricerca del PNNL, il personale di Hanford ha rimosso il cesio da oltre 697.000 galloni di rifiuti dei serbatoi:una pietra miliare significativa nei progressi nella pulizia di Hanford.
Nel 2008, Peterson e altri ricercatori del PNNL hanno dimostrato con successo in un progetto pilota che potevano rimuovere il cesio utilizzando un sistema situato accanto a un serbatoio di scorie nucleari. Collegare un sistema di rimozione direttamente a un singolo serbatoio si è rivelato un approccio economicamente vantaggioso.
La dimostrazione si rivelò importante quando, tre anni dopo, un terremoto e il conseguente tsunami provocarono una fusione nucleare nella centrale nucleare di Fukushima Daiichi in Giappone. La tecnologia di rimozione del cesio ha dovuto essere accelerata e implementata rapidamente in risposta all'incidente.
"Pochi giorni dopo l'evento, mi sono recato a Washington per fare una revisione di quale tecnologia dovrebbe essere utilizzata", ha affermato Peterson. "Sono andato diverse volte a Fukushima per rivedere le loro tecnologie di rimozione del cesio. Passavamo davanti ai reattori che erano esplosi e il mio dosimetro emetteva un segnale acustico mentre passavamo perché c'erano così tante radiazioni."
Il team ha ricevuto un premio DOE Secretary's Award nel 2011 per questa risposta.
Gli sforzi di pulizia di Fukushima sono serviti da catalizzatore per l’implementazione di sistemi simili nel sito del fiume Savannah e infine a Hanford. In tempo reale, il mondo vedeva l'efficacia della tecnologia.
Rimozione del cesio, cinque galloni al minuto
Peterson è il project manager che ha portato la tecnologia di rimozione del cesio dalla scala da banco alla dimostrazione a piena altezza, dando all'operatore del parco serbatoi la sicurezza necessaria per procedere con le operazioni su scala reale. Nel sito di Hanford, il sistema è chiamato Tank-Side Cesium Removal (TSCR).
TSCR pretratta i rifiuti in un sistema costruito all'interno di un container, dove le colonne di acciaio vengono posizionate all'interno con un carrello elevatore. I rifiuti del serbatoio vengono alimentati attraverso un filtro e confluiscono in una colonna. All'interno della colonna è presente un mezzo di scambio ionico, costituito da una miscela di silice e titanio come ingredienti principali. I mezzi di scambio ionico assomigliano a piccole perle bianche e, sebbene piccole, hanno un potere potente:catturano il cesio.
"Questa roba ama il cesio", ha detto Peterson dei mezzi di scambio ionico. "Mentre il liquido scorre attraverso il filtro e nella colonna, il mezzo ne assorbe la maggior parte."
Si tratta di un equilibrio intricato per ottenere la giusta velocità del flusso del liquido in modo che i media abbiano abbastanza tempo per assorbire il cesio.
Peterson e il suo team al PNNL imitano il TSCR su scala più piccola in uno speciale laboratorio allestito nel sito di Hanford chiamato Radioactive Waste Test Platform.
"Con la piattaforma di test dei rifiuti radioattivi, sappiamo con certezza che il TSCR funziona come dovrebbe perché disponiamo di tutti questi dati di laboratorio che si allineano perfettamente con le prestazioni del sistema", ha affermato.
Una volta che la colonna è piena, il sistema viene messo in pausa e la colonna viene sostituita con un'altra. Il sistema Hanford TSCR è operativo da gennaio 2022. Può funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a una portata di 5 galloni di rifiuti pretrattati al minuto. Ma cosa succede ai rifiuti una volta pretrattati?
Dal liquido radioattivo al vetro stabile
Il TSCR è il primo passo verso l’obiettivo più ampio di stabilizzare i rifiuti liquidi in vetro, rendendoli letteralmente parte della struttura del vetro, utilizzando un processo chiamato vetrificazione. Il personale di Hanford utilizzerà la tecnologia di vetrificazione per mescolare i rifiuti pretrattati con materiali per la formazione del vetro, riscaldarli a oltre 1.150°C in un fusore ad alta temperatura e versare il vetro fuso in grandi recipienti di acciaio dove si raffredda e si solidifica per lo smaltimento a lungo termine .
"Prima che l'impianto 'Vit' di Hanford venga avviato, 800.000 galloni di rifiuti dei serbatoi devono essere pretrattati e pronti per l'uso", ha affermato Peterson.
Il pretrattamento è un passaggio fondamentale per due ragioni principali:sicurezza e costi.
"Vogliamo essere in grado di effettuare la manutenzione a contatto delle apparecchiature invece di dover fare tutto da remoto", ha affermato Peterson. "Senza la rimozione preventiva del cesio, sarebbe necessario disporre di un muro di protezione in cemento spesso 6 piedi e l'intero concetto di progettazione dovrebbe cambiare, con conseguenti costi più elevati."
L'impianto di Hanford Vit, formalmente chiamato impianto di trattamento e immobilizzazione dei rifiuti, dovrebbe attualmente entrare in funzione nel 2025. Sebbene più di 697.000 galloni costituiscano un traguardo importante, è solo una piccola ammaccatura nei rifiuti ancora in attesa di pretrattamento. Un progetto di follow-up potrebbe accelerare il processo di pretrattamento portando il TSRC su scala molto più ampia.
"Ho iniziato questa carriera 29 anni fa e l'ho mantenuta perché è un grosso problema da risolvere", ha affermato Peterson, che è stato recentemente premiato per questa dedizione all'ingegneria chimica dalla Divisione di Ingegneria Nucleare dell'AIChE con il Premio Robert E. Wilson.
"Ricevo ogni giorno una nota con quanti galloni TSCR ha elaborato", ha detto. "Essere in grado di supportare qualcosa che è attivo e funzionante, e che funziona in modo efficace, ci fa sentire come se stessimo facendo progressi davvero importanti."
Fornito dal Pacific Northwest National Laboratory
