Stel je voor dat je je benzinetank vult met 10 gallons gas, net ver genoeg rijden om een ​​halve liter te verbranden en de rest weggooien. Vervolgens, herhalen. Dat is in wezen de praktijk die de Amerikaanse nucleaire industrie volgt.

Gebruikte splijtstof van elektriciteitscentrales heeft nog steeds 95% van zijn potentieel om elektriciteit te produceren. De huidige plannen zijn om de verbruikte splijtstof op te bergen in een geologische bergingsinstallatie. Dus, waarom wordt het niet gerecycled? Het blijkt dat het scheiden van bruikbare en onbruikbare delen van verbruikte splijtstof ingewikkeld is.

"Verbruikte splijtstof bevat ongeveer de helft van het periodiek systeem. Dus, vanuit een scheikundig standpunt, er is veel aan de hand, " zei Gregg Lumetta, PNNL chemicus en laboratorium fellow. "En om het proliferatierisico te verminderen, het is het beste als er op geen enkel moment in het scheidingsproces puur plutonium wordt geproduceerd."

Onderzoekers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ontwikkelden een innovatief vermogen om snel te scheiden, toezicht houden op, en nauwkeurige controle over specifieke uranium- en plutoniumverhoudingen in realtime - een belangrijke prestatie bij het efficiënt beheersen van het resulterende product en het beschermen van nucleair materiaal.

Een gebruikte splijtstofrecycling twofer

Met de stijgende vraag naar koolstofvrije energie, kernenergie is een optie in de groene-energiemix, vooral met geavanceerde reactoren aan de horizon. Nog, er zijn nog enkele grote uitdagingen te overwinnen:wat gebeurt er met verbruikte splijtstof die momenteel niet wordt gebruikt, en hoe voeden we geavanceerde reactoren?

"Misschien, deze uitdagingen hebben dezelfde oplossing:het recyclen van verbruikte splijtstof om nieuwe brandstof te maken, " zei Amanda Lines, een PNNL-chemicus. "In een wereld met een toenemende vraag naar energie die wordt uitgedaagd door een groeiende koolstofvoetafdruk, hoe kunnen we verbruikte splijtstof beter gebruiken?"

Nieuwe geavanceerde reactoren zouden kunnen worden ontworpen om op gerecyclede brandstof te werken. Maar het recyclen van verbruikte splijtstof betekent het scheiden van het energieopwekkende plutonium van al het andere in de mix, terwijl het niet in zuivere vorm wordt gescheiden. dat wordt gezien als een proliferatierisico. Ook, het eindproduct moet een precieze verhouding zijn tussen uranium en plutonium om nieuwe brandstof te produceren die kan worden hergebruikt in kernreactoren.

Gedeconstrueerde saladedressing

Het scheiden van verbruikte splijtstof is als proberen vinaigrette-saladedressing te deconstrueren met als doel ingrediënten van azijn naar olie te verplaatsen.

De chemische slurry wordt in een centrifugeverwerkingssysteem gevoerd, die eruitziet als een gigantische pillendoos met in elk compartiment een rotor om te mengen. De oplossing stroomt van het ene uiteinde van het systeem naar het andere, mengen, centrifugeren, toevoegen, of onderweg verschillende chemische componenten aftrekken. Gedurende het hele proces, realtime monitoring biedt kritische inzichten in welke aanpassingen nodig zijn om specifieke chemische samenstellingen te behouden.

"Realtime monitoring was cruciaal voor het bepalen van exacte chemische elementaire verhoudingen. We hebben ons echt gefocust op de uranium-plutoniumpercentages en wisten precies wat ze waren op een bepaald punt, ' zei Lijnen.

Realtime monitoring verbetert ook de efficiëntie, verlaagt de kosten, en brengt een gevestigd proces naar een moderner en futuristischer gebied.

"Uiteindelijk, het stelt onderzoekers en operators in staat door vrijwel onmiddellijke informatie te verstrekken om chemische processen te helpen controleren en begrijpen, ' zei Lijnen.

De realtime monitoringmogelijkheden van PNNL zijn de afgelopen 25 jaar exponentieel geëvolueerd, het kruist met een lange geschiedenis van onderzoek naar brandstofrecycling en scheidingen.

Van industrieel tot microschaal

Scheidingsonderzoekers vertrouwen vaak op door de mens gemaakte, gesimuleerde verbruikte splijtstof om de chemische processen na te bootsen, omdat de werkelijke verbruikte splijtstof duur is om te verwerven en te bestuderen. Echter, gesimuleerde verbruikte splijtstof is ook duur, vooral in het groot, industriële schalen die nodig zijn om bulkrecycling- en scheidingsprocessen te bestuderen.

Om die uitdaging aan te gaan, PNNL heeft complementaire benaderingen ontwikkeld die op een veel kleinere, en veel goedkoper, schaal. Met behulp van microfluïdica, of lab-on-a-chip, technologie in combinatie met realtime monitoring, onderzoekers kunnen chemische processen volgen op iets ter grootte van een microscoopglaasje.

"We kunnen dezelfde soorten scheidingsstudies uitvoeren en de exacte samenstelling van uraniumbrandstofcomponenten en splijtingsproducten volgen tijdens de recyclingprocessen, vergelijkbaar met wat op laboratorium- of industriële schaal wordt gedaan, ' zei Lijnen.

De onderzoekers kunnen ook daadwerkelijk verbruikte splijtstof gebruiken omdat de schaal zoveel kleiner is. "Deze technologie is kostenefficiënt en biedt ongelooflijke mogelijkheden om recyclingbenaderingen te ontwikkelen en te bevorderen. ' zei Lijnen.

50+ jaar recycling en scheiding van gebruikte splijtstof

Van het verminderen van de hoeveelheid straling in hoogradioactief afval tot het ontwikkelen van een scheidingsproces om gevaarlijke elementen in verbruikte splijtstof te verwijderen, PNNL heeft een lange geschiedenis met het oplossen van enkele van de zwaarste uitdagingen van het land op het gebied van verbruikte splijtstof.

"We zijn al tientallen jaren bezig met het bevorderen van brandstofcyclusactiviteiten, " zei Lumetta. "Dit meest recente werk is een platform waarop we verder kunnen bouwen terwijl we doorgaan met het nastreven van chemische scheidingen voor geavanceerde brandstofcyclusopties."