Wetenschap

Science >> Wetenschap > >> Chemie

Cesium verwijderen:oplossingen voor een chemisch complex probleem

Peterson heeft bijna drie decennia gewerkt aan tankafvalkwesties voor locaties van het Department of Energy (DOE) Office of Environment Management. Hij maakte deel uit van een nationale reactie om te voorkomen dat de oprispingen van benzeengas in een afvaltank in de Savannah River Site de ontvlambaarheidsgrenzen bereiken. Hij hielp bij het ontwikkelen van verschillende chemische scheidingstechnieken. Maar onder zijn vele bijdragen aan de uitdaging van het opruimen van zulk chemisch complex radioactief afval steekt één poging boven de andere uit:het vangen van cesium-137.

Cesium-137 wordt grotendeels door de mens gemaakt. Het wordt in grote hoeveelheden aangetroffen in kernafval omdat het een bijproduct is van de productie van plutonium, een noodzakelijke stap in de productie van kernwapens. Wetenschappers hebben ontdekt hoe ze dit radioactieve afval veilig in glas kunnen opslaan, maar voordat dat kan gebeuren moet een deel van het vloeibare tankafval worden behandeld om het grootste deel van het cesium-137 te verwijderen.

Dat komt omdat het type gammastraling dat het uitzendt – energie hoger dan röntgenstraling – door het menselijk lichaam en zelfs door staal kan dringen, waardoor het voor werknemers te gevaarlijk wordt om de verwerkingstechnologie die wordt gebruikt om afvalglas met lage activiteit te maken, te bedienen en te onderhouden. Dat is al meer dan tien jaar de uitdaging van Peterson. Vanaf vandaag heeft het personeel van Hanford, met ondersteunend onderzoek van PNNL, cesium verwijderd uit meer dan 697.000 liter tankafval – een belangrijke mijlpaal in de voortgang van de schoonmaak bij Hanford.

De evolutie van de technologie voor het verwijderen van cesium

In 2008 hebben Peterson en andere onderzoekers van PNNL met succes in een pilotproject aangetoond dat ze cesium konden verwijderen met behulp van een systeem naast een kernafvaltank. Het bleek een kosteneffectieve aanpak om een verwijderingssysteem rechtstreeks op één tank aan te sluiten.

De demonstratie bleek belangrijk toen drie jaar later een aardbeving en de daaruit voortvloeiende tsunami een kernsmelting veroorzaakten in de kerncentrale van Fukushima Daiichi in Japan. De technologie voor de verwijdering van cesium moest als reactie op het ongeval worden versneld en snel ingezet.

"Binnen enkele dagen na het evenement ging ik naar DC om te beoordelen welke technologie zou moeten worden gebruikt", zei Peterson. "Ik ging verschillende keren naar Fukushima om hun technologieën voor het verwijderen van cesium te bekijken. We passeerden de reactoren die waren opgeblazen en mijn dosismeter pingde terwijl we voorbijreden omdat er zoveel straling was."

Voor die reactie ontving het team in 2011 een DOE Secretary's Award.

De schoonmaakinspanningen in Fukushima dienden als katalysator voor de inzet van soortgelijke systemen op de Savannah River Site en uiteindelijk bij Hanford. In realtime zag de wereld de effectiviteit van de technologie.

PNNL-onderzoekers Emily Campbell, Amy Westesen, Ashley Williams en Reid Peterson staan voor de kolommen die worden gebruikt binnen het Tank-Side Cesium Removal (TSCR)-systeem. Krediet:Reid Peterson | Pacific Northwest Nationaal Laboratorium

Cesium verwijderen, vijf liter per minuut

Peterson is de projectmanager die de technologie voor het verwijderen van cesium van laboratoriumschaal naar een demonstratie op volledige hoogte heeft gebracht, waardoor de exploitant van het tankpark het vertrouwen kreeg om door te gaan met grootschalige activiteiten. Op de Hanford-locatie wordt dit het Tank-Side Cesium Removal-systeem (TSCR) genoemd.

TSCR behandelt het afval voor in een systeem dat in een zeecontainer is ingebouwd, waar stalen kolommen met een vorkheftruck naar binnen worden geplaatst. Tankafval wordt door een filter gevoerd en stroomt in een kolom. In de kolom bevinden zich ionenuitwisselingsmedia, bestaande uit een mengsel van silica en titanium als hoofdingrediënten. De ionenuitwisselingsmedia lijken op kleine witte kralen en hoewel ze klein zijn, hebben ze een enorme kracht:ze vangen cesium op.

"Dit spul houdt van cesium", zei Peterson over de ionenuitwisselingsmedia. "Terwijl de vloeistof door het filter en in de kolom stroomt, zuigt de media het grootste deel ervan op."

Het is een ingewikkeld evenwicht om de snelheid van de vloeistofstroom precies goed te krijgen, zodat de media voldoende tijd hebben om het cesium op te nemen.

Peterson en zijn team bij PNNL bootsen TSCR op kleinere schaal na in een speciale laboratoriumopstelling op de Hanford-site, het Radioactive Waste Test Platform.

"Met het Radioactive Waste Test Platform weten we zeker dat TSCR werkt zoals het hoort, omdat we over al deze laboratoriumgegevens beschikken die perfect aansluiten bij de systeemprestaties", zei hij.

Zodra de kolom vol is, wordt het systeem gepauzeerd en wordt de kolom vervangen door een andere. Het Hanford TSCR-systeem is sinds januari 2022 in bedrijf. Het kan 24/7 draaien met een stroomsnelheid van 5 liter voorbehandeld afval per minuut. Maar wat gebeurt er met het afval nadat het is voorbehandeld?

Het radioactieve afvaltestplatform van het Pacific Northwest National Laboratory is een sleutelfunctie voor de ondersteuning van verglazingsafvalverwerkingsoperaties op de Hanford-locatie van het Department of Energy. Deze technologie helpt de kosten te verlagen en risico's van opruimen te plannen door de basisbehandeling en mogelijke alternatieven te demonstreren. Dit stelt wetenschappers, ingenieurs en functionarissen in staat de rijping van de technologie en alternatieve strategieën te evalueren en de schoonmaakoperaties te optimaliseren. Krediet:Pacific Northwest National Laboratory

Van radioactieve vloeistof tot stabiel glas

TSCR is stap één in het grotere doel om vloeibaar afval in glas te stabiliseren – letterlijk onderdeel te maken van de glasstructuur – met behulp van een proces dat vitrificatie wordt genoemd. Het personeel van Hanford zal verglazingstechnologie gebruiken om voorbehandeld afval te mengen met glasvormende materialen, het in een hogetemperatuursmelter tot meer dan 1.150 °C te verwarmen en het gesmolten glas in grote stalen vaten te gieten waar het afkoelt en stolt voor verwijdering op de lange termijn. .

"Voordat de Hanford 'Vit Plant' van start gaat, moet 800.000 liter tankafval worden voorbehandeld en klaar zijn voor gebruik", aldus Peterson.

Voorbehandeling is om twee belangrijke redenen een cruciale stap:veiligheid en kosten.

"We willen contactonderhoud aan de apparatuur kunnen doen, in plaats van alles op afstand te moeten doen", aldus Peterson. "Zonder dat cesium eerst wordt verwijderd, zou je een betonnen beschermingsmuur van 1,80 meter dik moeten hebben en zou het hele ontwerpconcept moeten veranderen, wat ook tot hogere kosten zou leiden."

De Hanford Vit Plant, formeel de Waste Treatment and Immobilization Plant genoemd, zal naar verwachting in 2025 in gebruik worden genomen. Hoewel ruim 697.000 liter een belangrijke mijlpaal is, is het slechts een klein deukje in het afval dat nog op voorbehandeling wacht. Een vervolgproject zou het voorbehandelingsproces mogelijk kunnen versnellen door TSRC op veel grotere schaal te brengen.

"Ik begon deze carrière 29 jaar geleden en ben ermee doorgegaan omdat het een groot probleem is om op te lossen", zei Peterson, die onlangs door de AIChE Nuclear Engineering Division werd geëerd met de Robert E. Wilson Award voor deze toewijding aan chemische technologie.

"Ik krijg elke dag een notitie met hoeveel liter TSCR heeft verwerkt", zei hij. "Om iets te kunnen ondersteunen dat actief is – en effectief draait – voelt het alsof we echt belangrijke vooruitgang boeken."

Geleverd door Pacific Northwest National Laboratory

Peterson heeft bijna drie decennia gewerkt aan tankafvalkwesties voor locaties van het Department of Energy (DOE) Office of Environment Management. Hij maakte deel uit van een nationale reactie om te voorkomen dat de oprispingen van benzeengas in een afvaltank in de Savannah River Site de ontvlambaarheidsgrenzen bereiken. Hij hielp bij het ontwikkelen van verschillende chemische scheidingstechnieken. Maar onder zijn vele bijdragen aan de uitdaging van het opruimen van zulk chemisch complex radioactief afval steekt één poging boven de andere uit:het vangen van cesium-137.

Cesium-137 wordt grotendeels door de mens gemaakt. Het wordt in grote hoeveelheden aangetroffen in kernafval omdat het een bijproduct is van de productie van plutonium, een noodzakelijke stap in de productie van kernwapens. Wetenschappers hebben ontdekt hoe ze dit radioactieve afval veilig in glas kunnen opslaan, maar voordat dat kan gebeuren moet een deel van het vloeibare tankafval worden behandeld om het grootste deel van het cesium-137 te verwijderen.

Dat komt omdat het type gammastraling dat het uitzendt – energie hoger dan röntgenstraling – door het menselijk lichaam en zelfs door staal kan dringen, waardoor het voor werknemers te gevaarlijk wordt om de verwerkingstechnologie die wordt gebruikt om afvalglas met lage activiteit te maken, te bedienen en te onderhouden. Dat is al meer dan tien jaar de uitdaging van Peterson. Vanaf vandaag heeft het personeel van Hanford, met ondersteunend onderzoek van PNNL, cesium verwijderd uit meer dan 697.000 liter tankafval – een belangrijke mijlpaal in de voortgang van de schoonmaak bij Hanford.

De evolutie van de technologie voor het verwijderen van cesium

In 2008 hebben Peterson en andere onderzoekers van PNNL met succes in een pilotproject aangetoond dat ze cesium konden verwijderen met behulp van een systeem naast een kernafvaltank. Het bleek een kosteneffectieve aanpak om een verwijderingssysteem rechtstreeks op één tank aan te sluiten.

De demonstratie bleek belangrijk toen drie jaar later een aardbeving en de daaruit voortvloeiende tsunami een kernsmelting veroorzaakten in de kerncentrale van Fukushima Daiichi in Japan. De technologie voor de verwijdering van cesium moest als reactie op het ongeval worden versneld en snel ingezet.

"Binnen enkele dagen na het evenement ging ik naar DC om te beoordelen welke technologie zou moeten worden gebruikt", zei Peterson. "Ik ging verschillende keren naar Fukushima om hun technologieën voor het verwijderen van cesium te bekijken. We passeerden de reactoren die waren opgeblazen en mijn dosismeter pingde terwijl we voorbijreden omdat er zoveel straling was."

Voor die reactie ontving het team in 2011 een DOE Secretary's Award.

De schoonmaakinspanningen in Fukushima dienden als katalysator voor de inzet van soortgelijke systemen op de Savannah River Site en uiteindelijk bij Hanford. In realtime zag de wereld de effectiviteit van de technologie.

PNNL-onderzoekers Emily Campbell, Amy Westesen, Ashley Williams en Reid Peterson staan voor de kolommen die worden gebruikt binnen het Tank-Side Cesium Removal (TSCR)-systeem. Krediet:Reid Peterson | Pacific Northwest Nationaal Laboratorium

Cesium verwijderen, vijf liter per minuut

Peterson is de projectmanager die de technologie voor het verwijderen van cesium van laboratoriumschaal naar een demonstratie op volledige hoogte heeft gebracht, waardoor de exploitant van het tankpark het vertrouwen kreeg om door te gaan met grootschalige activiteiten. Op de Hanford-locatie wordt dit het Tank-Side Cesium Removal-systeem (TSCR) genoemd.

TSCR behandelt het afval voor in een systeem dat in een zeecontainer is ingebouwd, waar stalen kolommen met een vorkheftruck naar binnen worden geplaatst. Tankafval wordt door een filter gevoerd en stroomt in een kolom. In de kolom bevinden zich ionenuitwisselingsmedia, bestaande uit een mengsel van silica en titanium als hoofdingrediënten. De ionenuitwisselingsmedia lijken op kleine witte kralen en hoewel ze klein zijn, hebben ze een enorme kracht:ze vangen cesium op.

"Dit spul houdt van cesium", zei Peterson over de ionenuitwisselingsmedia. "Terwijl de vloeistof door het filter en in de kolom stroomt, zuigt de media het grootste deel ervan op."

Het is een ingewikkeld evenwicht om de snelheid van de vloeistofstroom precies goed te krijgen, zodat de media voldoende tijd hebben om het cesium op te nemen.

Peterson en zijn team bij PNNL bootsen TSCR op kleinere schaal na in een speciale laboratoriumopstelling op de Hanford-site, het Radioactive Waste Test Platform.

"Met het Radioactive Waste Test Platform weten we zeker dat TSCR werkt zoals het hoort, omdat we over al deze laboratoriumgegevens beschikken die perfect aansluiten bij de systeemprestaties", zei hij.

Zodra de kolom vol is, wordt het systeem gepauzeerd en wordt de kolom vervangen door een andere. Het Hanford TSCR-systeem is sinds januari 2022 in bedrijf. Het kan 24/7 draaien met een stroomsnelheid van 5 liter voorbehandeld afval per minuut. Maar wat gebeurt er met het afval nadat het is voorbehandeld?

Het radioactieve afvaltestplatform van het Pacific Northwest National Laboratory is een sleutelfunctie voor de ondersteuning van verglazingsafvalverwerkingsoperaties op de Hanford-locatie van het Department of Energy. Deze technologie helpt de kosten te verlagen en risico's van opruimen te plannen door de basisbehandeling en mogelijke alternatieven te demonstreren. Dit stelt wetenschappers, ingenieurs en functionarissen in staat de rijping van de technologie en alternatieve strategieën te evalueren en de schoonmaakoperaties te optimaliseren. Krediet:Pacific Northwest National Laboratory

Van radioactieve vloeistof tot stabiel glas

TSCR is stap één in het grotere doel om vloeibaar afval in glas te stabiliseren – letterlijk onderdeel te maken van de glasstructuur – met behulp van een proces dat vitrificatie wordt genoemd. Het personeel van Hanford zal verglazingstechnologie gebruiken om voorbehandeld afval te mengen met glasvormende materialen, het in een hogetemperatuursmelter tot meer dan 1.150 °C te verwarmen en het gesmolten glas in grote stalen vaten te gieten waar het afkoelt en stolt voor verwijdering op de lange termijn. .

"Voordat de Hanford 'Vit Plant' van start gaat, moet 800.000 liter tankafval worden voorbehandeld en klaar zijn voor gebruik", aldus Peterson.

Voorbehandeling is om twee belangrijke redenen een cruciale stap:veiligheid en kosten.

"We willen contactonderhoud aan de apparatuur kunnen doen, in plaats van alles op afstand te moeten doen", aldus Peterson. "Zonder dat cesium eerst wordt verwijderd, zou je een betonnen beschermingsmuur van 1,80 meter dik moeten hebben en zou het hele ontwerpconcept moeten veranderen, wat ook tot hogere kosten zou leiden."

De Hanford Vit Plant, formeel de Waste Treatment and Immobilization Plant genoemd, zal naar verwachting in 2025 in gebruik worden genomen. Hoewel ruim 697.000 liter een belangrijke mijlpaal is, is het slechts een klein deukje in het afval dat nog op voorbehandeling wacht. Een vervolgproject zou het voorbehandelingsproces mogelijk kunnen versnellen door TSRC op veel grotere schaal te brengen.

"Ik begon deze carrière 29 jaar geleden en ben ermee doorgegaan omdat het een groot probleem is om op te lossen", zei Peterson, die onlangs door de AIChE Nuclear Engineering Division werd geëerd met de Robert E. Wilson Award voor deze toewijding aan chemische technologie.

"Ik krijg elke dag een notitie met hoeveel liter TSCR heeft verwerkt", zei hij. "Om iets te kunnen ondersteunen dat actief is – en effectief draait – voelt het alsof we echt belangrijke vooruitgang boeken."

Geleverd door Pacific Northwest National Laboratory

Machine learning-technieken verbeteren de analyse van röntgenmateriaal

Onderzoekers ontwikkelen zelfsorterende coacervaten voor protocelnetwerken van hoge orde

Hoofdlijnen

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Wetenschap © https://nl.scienceaq.com