Gli scienziati di Argonne si affidano alla stampa 3D per alleviare l'ansia da separazione, che apre la strada al riciclaggio di più materiale nucleare.

Gli astronauti ora stampano le proprie parti nello spazio per riparare la Stazione Spaziale Internazionale. Gli scienziati di Harvard hanno appena scoperto un modo per stampare il tessuto degli organi, un passo importante verso la possibile creazione di organi biologici stampati in 3D. Questi sono solo due esempi di come la stampa 3D, o produzione additiva, sta rivoluzionando la scienza e la tecnologia.

I progressi nella stampa 3D sono anche pronti a trasformare l'industria nucleare mentre gli scienziati raccolgono i vantaggi della creazione di materiali flessibili, parti e sensori strato per strato. La produzione additiva può persino aiutarci a riciclare il combustibile nucleare usato in modo più efficiente, secondo una nuova svolta fondamentale degli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Possiamo riciclare i rifiuti dei reattori nucleari in diversi modi, compreso un metodo sviluppato dagli scienziati di Argonne negli anni '70. Con questi approcci, gli ingegneri nucleari possono riciclare il 95% del combustibile nucleare esaurito da un reattore, lasciando solo il cinque per cento da stoccare come rifiuto a lungo termine. Ma ora, per la prima volta, Gli scienziati di Argonne hanno stampato parti 3D che aprono la strada al riciclaggio di ancora più scorie nucleari, come dettagliato in un articolo del 6 settembre in Rapporti scientifici .

Ridurre, riutilizzare, riciclare

A prima vista, riciclare un altro due percento delle scorie nucleari potrebbe non sembrare molto. Ma ridurrebbe drasticamente sia la quantità di rifiuti stoccati che il tempo in cui rimangono pericolosi.

"Piuttosto che immagazzinare il cinque percento per centinaia di migliaia di anni, il restante tre per cento deve essere conservato per un massimo di circa mille anni, "ha detto Andrew Breshears, un chimico nucleare e co-autore Argonne. "In altre parole, questo ulteriore passaggio può ridurre la durata dello stoccaggio di quasi mille volte." E abbattere quel materiale nucleare in un reattore veloce di quarta generazione genererebbe elettricità aggiuntiva.

Per raggiungere questo obiettivo, Gli scienziati di Argonne hanno prima dovuto separare gli isotopi di attinidi altamente radioattivi americio e curio dai lantanidi, o metalli delle terre rare, quale, per la maggior parte, non sono radioattivi.

Nel 2013, chimico Artem V. Gelis, ora con l'Università del Nevada, Las Vegas, e i suoi colleghi di Argonne hanno creato un progetto per riciclare quel due percento in più chiamato Processo di separazione di attinidi lantanidi (ALSEP).

Eppure il team ha affrontato una sfida scientifica comune:come convertire il proprio lavoro dalle provette in laboratorio a un processo più ampio che si traduca su scala industriale. È qui che è entrata in gioco la produzione additiva.

Il team ha ridisegnato il processo ALSEP intorno ai dispositivi che separano le sostanze chimiche, chiamati contattori centrifughi. L'ingegnere di Argonne Peter Kozak ha stampato diversi contattori e li ha collegati insieme, trasformando un piccolo (e lento) processo in uno in cui gli scienziati possono separare gli attinidi dai lantanidi senza sosta.

"Questo colma il divario tra la separazione degli elementi su scala di laboratorio e su scala industriale, " disse Breshear.

Alleviare l'ansia da separazione

Per fare questa scoperta, Gli scienziati di Argonne hanno iniziato con il combustibile nucleare simulato da cui l'uranio, plutonio e nettunio erano stati estratti tramite un processo modificato di estrazione dell'uranio del plutonio (PUREX). Il team ha aggiunto questa miscela liquida contenente l'americio e il curio in un lato della fila di 20 contattori. Dall'altro lato, il team ha aggiunto una miscela di prodotti chimici industriali progettati per separare gli attinidi.

Seguendo un progetto di separazione in 36 passaggi, gli scienziati hanno rimosso il 99,9 per cento degli attinidi dai lantanidi. Questa è stata un'impresa sorprendente perché entrambi i gruppi di elementi condividono una chimica simile. "I loro stati di ossidazione sono gli stessi, rendendoli molto difficili da separare, " disse Breshear.

Lungo la strada, gli scienziati hanno scoperto due ulteriori vantaggi derivanti dall'utilizzo di parti stampate in 3D. Il primo è che i contattori offrivano salvaguardie intrinseche contro la proliferazione nucleare. I tubi che collegano i 20 contattori corrono all'interno di ciascun dispositivo, rendendo più difficile deviare il plutonio o altro materiale radioattivo dal processo.

Il secondo è che le parti stampate in 3D sono flessibili. "Se una parte si è guastata, sarebbe facile ristamparlo e sostituirlo. Potremmo facilmente aggiungere o rimuovere passaggi, " ha detto Kozak.

Sebbene questo progresso sia un passo nella giusta direzione, è necessario lavorare di più. "Forse troveremo un nuovo modo per ridurre le dimensioni del processo, " disse Breshears. " Quanto più possiamo separare gli attinidi, più possiamo ridurre l'impatto che hanno sul pubblico e sull'ambiente".