L'energia nucleare continua ad espandersi a livello globale, azionato, in parte, dal fatto che produce poche emissioni di gas serra fornendo una potenza costante. Ma insieme a questa espansione arriva un aumento della necessità di gestire i grandi volumi di acqua utilizzati per raffreddare questi impianti, che viene contaminato da isotopi radioattivi che richiedono uno smaltimento speciale a lungo termine.

Ora, un metodo sviluppato al MIT fornisce un modo per ridurre sostanzialmente il volume di acqua contaminata che deve essere smaltito, concentrando invece i contaminanti e consentendo il riciclo del resto dell'acqua attraverso il sistema di raffreddamento dell'impianto. Il sistema proposto è descritto nella rivista Scienze e tecnologie ambientali , in un articolo dello studente laureato Mohammad Alkhadra, professore di ingegneria chimica Martin Bazant, e altri tre.

Il metodo si avvale di un processo chiamato elettrodialisi d'urto, che utilizza un campo elettrico per generare un'onda d'urto di deionizzazione nell'acqua. L'onda d'urto spinge le particelle caricate elettricamente, o ioni, ad un lato di un tubo riempito con materiale poroso carico, in modo che il flusso concentrato di contaminanti possa essere separato dal resto dell'acqua. Il gruppo ha scoperto che due contaminanti radionuclidi, isotopi di cobalto e cesio, possono essere rimossi selettivamente dall'acqua che contiene anche acido borico e litio. Dopo che il flusso d'acqua è stato ripulito dai suoi contaminanti di cobalto e cesio, può essere riutilizzato nel reattore.

Il processo di elettrodialisi shock è stato inizialmente sviluppato da Bazant e dai suoi collaboratori come metodo generale per rimuovere il sale dall'acqua, come dimostrato nel loro primo prototipo scalabile quattro anni fa. Ora, il team si è concentrato su questa applicazione più specifica, che potrebbe contribuire a migliorare l'economia e l'impatto ambientale delle centrali nucleari funzionanti. Nella ricerca in corso, stanno anche continuando a sviluppare un sistema per rimuovere altri contaminanti, compreso il piombo, dall'acqua potabile.

Non solo il nuovo sistema è economico e scalabile fino a grandi dimensioni, ma in linea di principio può anche trattare un'ampia gamma di contaminanti, dice Bazant. "È un unico dispositivo in grado di eseguire un'intera gamma di separazioni per qualsiasi applicazione specifica, " lui dice.

Nel loro precedente lavoro di desalinizzazione, i ricercatori hanno utilizzato misurazioni della conduttività elettrica dell'acqua per determinare la quantità di sale rimossa. Negli anni da allora, il team ha sviluppato altri metodi per rilevare e quantificare i dettagli di cosa c'è nei rifiuti radioattivi concentrati e nell'acqua pulita.

"Misuriamo attentamente la composizione di tutte le cose che entrano ed escono, "dice Bazant, chi è l'E.G. Roos Professore di Ingegneria Chimica e professore di matematica. "Questo ha davvero aperto una nuova direzione per la nostra ricerca". Iniziarono a concentrarsi su processi di separazione che sarebbero stati utili per motivi di salute o che avrebbero portato a concentrare materiale di alto valore, per il riutilizzo o per compensare i costi di smaltimento.

Il metodo che hanno sviluppato funziona per la desalinizzazione dell'acqua di mare, ma è un processo relativamente ad alta intensità energetica per tale applicazione. Il costo energetico è notevolmente inferiore quando il metodo viene utilizzato per separazioni iono-selettive da flussi diluiti come l'acqua di raffreddamento degli impianti nucleari. Per questa applicazione, che richiede anche un costoso smaltimento, il metodo ha un senso economico, lui dice. Colpisce anche entrambi gli obiettivi del team:trattare con materiali di alto valore e contribuire alla salvaguardia della salute. Anche la portata dell'applicazione è significativa:una singola grande centrale nucleare può far circolare circa 10 milioni di metri cubi di acqua all'anno attraverso il suo sistema di raffreddamento, dice Alkhadra.

Per i loro test del sistema, i ricercatori hanno utilizzato acque reflue nucleari simulate sulla base di una ricetta fornita da Mitsubishi Heavy Industries, che ha sponsorizzato la ricerca ed è un importante costruttore di centrali nucleari. Nei test della squadra, dopo un processo di separazione in tre fasi, sono stati in grado di rimuovere il 99,5% dei radionuclidi di cobalto nell'acqua, trattenendo circa il 43% dell'acqua in forma pulita in modo che potesse essere riutilizzata. Fino a due terzi dell'acqua possono essere riutilizzati se il livello di pulizia viene ridotto al 98,3% dei contaminanti rimossi, la squadra ha trovato.

Sebbene il metodo generale abbia molte potenziali applicazioni, la separazione delle acque reflue nucleari, è "uno dei primi problemi che pensiamo di poter risolvere [con questo metodo] per il quale non esiste altra soluzione, " dice Bazant. Nessun altro pratico, continuo, è stato trovato un metodo economico per separare gli isotopi radioattivi di cobalto e cesio, i due principali contaminanti delle acque reflue nucleari, Aggiunge.

Sebbene il metodo possa essere utilizzato per la pulizia di routine, potrebbe anche fare una grande differenza nell'affrontare casi più estremi, come i milioni di galloni di acqua contaminata nella centrale elettrica danneggiata di Fukushima Daichi in Giappone, dove l'accumulo di quell'acqua contaminata ha minacciato di sopraffare i sistemi di contenimento progettati per impedirne la fuoriuscita nell'adiacente Pacifico. Sebbene il nuovo sistema sia stato finora testato solo su scale molto più piccole, Bazant afferma che tali sistemi di decontaminazione su larga scala basati su questo metodo potrebbero essere possibili "entro pochi anni".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.