Wetenschappers van Argonne kijken naar 3D-printen om verlatingsangst te verminderen, die de weg vrijmaakt om meer nucleair materiaal te recyclen.

Astronauten printen nu hun eigen onderdelen in de ruimte om het internationale ruimtestation te repareren. Wetenschappers van Harvard hebben zojuist een manier ontdekt om orgaanweefsel af te drukken, een belangrijke stap in de richting van het mogelijk maken van 3D-geprinte biologische organen. Dit zijn slechts twee voorbeelden van hoe 3D-printen, of additieve fabricage, brengt een revolutie teweeg in wetenschap en technologie.

Vooruitgang in 3D-printen staat ook op het punt om de nucleaire industrie te transformeren, aangezien wetenschappers de vruchten plukken van het maken van flexibele materialen, onderdelen en sensoren laag voor laag. Additive manufacturing kan ons zelfs helpen om gebruikte splijtstof efficiënter te recyclen, volgens een nieuwe cruciale doorbraak door wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

We kunnen afval van kernreactoren op verschillende manieren recyclen, waaronder een methode die in de jaren zeventig door wetenschappers van Argonne is ontwikkeld. Met deze benaderingen nucleaire ingenieurs kunnen 95 procent van de verbruikte splijtstof uit een reactor recyclen, waardoor slechts vijf procent wordt opgeslagen als langdurig afval. Maar nu, Voor de eerste keer, Wetenschappers van Argonne hebben 3D-onderdelen geprint die de weg vrijmaken voor het recyclen van nog meer kernafval. zoals beschreven in een artikel van 6 september in Wetenschappelijke rapporten .

Verminderen, hergebruik, recyclen

Op het eerste gezicht, nog eens twee procent van het kernafval recyclen klinkt misschien niet zo veel. Maar het zou zowel de hoeveelheid opgeslagen afval als de tijd dat het gevaarlijk blijft drastisch verminderen.

"In plaats van vijf procent honderdduizenden jaren op te slaan, de overige drie procent moet maximaal ongeveer duizend jaar worden bewaard, " zei Andrew Breshears, een Argonne nucleair chemicus en co-auteur. "Met andere woorden, deze extra stap kan de opslagduur bijna duizendvoudig verkorten." En het afbreken van dat kernmateriaal in een snelle reactor van de vierde generatie zou extra elektriciteit opleveren.

Om dit doel te bereiken, Argonne-wetenschappers moesten eerst de zeer radioactieve actinide-isotopen americium en curium scheiden van de lanthaniden, of zeldzame aardmetalen, die, voor het grootste gedeelte, zijn niet radioactief.

In 2013 scheikundige Artem V. Gelis, nu bij de Universiteit van Nevada, Las Vegas, en zijn Argonne-collega's creëerden een blauwdruk om die extra twee procent te recyclen, het Actinide Lanthanide Separation Process (ALSEP).

Toch stond het team voor een gemeenschappelijke wetenschappelijke uitdaging:hoe ze hun werk van reageerbuizen in een laboratorium konden omzetten naar een groter proces dat zich vertaalt naar een industriële schaal. Dat is waar additive manufacturing om de hoek kwam kijken.

Het team heeft het ALSEP-proces opnieuw ontworpen rond apparaten die chemicaliën scheiden, centrifugaalschakelaars genoemd. Argonne-ingenieur Peter Kozak heeft verschillende contactoren geprint en aan elkaar gekoppeld, een klein (en langzaam) proces veranderen in een proces waarin wetenschappers non-stop actiniden van lanthaniden kunnen scheiden.

"Dit overbrugt de kloof tussen het scheiden van de elementen op laboratoriumschaal en op industriële schaal, ’ zei Breshears.

Verlatingsangst verlichten

Om deze ontdekking te doen, Wetenschappers van Argonne begonnen met gesimuleerde splijtstof waaruit uranium, plutonium en neptunium waren geëxtraheerd via een gemodificeerd Plutonium Uranium Reduction Extraction (PUREX) -proces. Het team voegde dit vloeibare mengsel met americium en curium toe aan één kant van de rij van 20 contactoren. Aan de andere kant, het team voegde een mengsel van industriële chemicaliën toe die waren ontworpen om de actiniden te scheiden.

Door een scheidingsblauwdruk van 36 stappen te volgen, de wetenschappers verwijderden 99,9 procent van de actiniden uit de lanthaniden. Dit was een opvallende prestatie omdat beide sets elementen dezelfde chemie delen. "Hun oxidatietoestanden zijn hetzelfde, waardoor ze erg moeilijk te scheiden zijn, ’ zei Breshears.

Onderweg, de wetenschappers vonden twee extra voordelen van het gebruik van 3D-geprinte onderdelen. De eerste is dat de contactoren inherente beveiligingen boden tegen nucleaire proliferatie. De buizen die de 20 schakelaars verbinden, lopen in elk apparaat, waardoor het moeilijker wordt om plutonium of ander radioactief materiaal uit het proces af te leiden.

De tweede is dat 3D-geprinte onderdelen flexibel zijn. "Als een onderdeel faalde, het zou gemakkelijk zijn om het opnieuw af te drukken en te vervangen. We kunnen gemakkelijk stappen toevoegen of verwijderen, ' zei Kozak.

Hoewel deze vooruitgang een stap in de goede richting is, meer werk moet worden gedaan. "Misschien zullen we een nieuwe manier vinden om de omvang van het proces te verminderen, " zei Breshears. "Hoe meer we de actiniden kunnen scheiden, hoe meer we de impact die ze hebben op het publiek en het milieu kunnen verminderen."