美國能源部利用3D打印將核廢料回收率提高到97％

2020年5月13日，南極熊從外媒獲悉，來自美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了一種新的核廢料再利用方法，這種方法可以使核廢料的回收率高達(dá)97%。

這種新型工藝可以將科學(xué)家們能夠再利用的燃料比例從現(xiàn)有工藝下的95%提高到97%。雖然這可能最初看起來并不代表重大進(jìn)展，但它可以大大減少需要儲存的廢舊燃料的數(shù)量，以及它的危險時間。

阿貢核化學(xué)家Andrew Breshears說："與其將5%的燃料儲存幾十萬年，不如將剩下的3%的燃料最多需要儲存一千年左右，換句話說，這一步可能會將儲存時間縮短近千倍。"

3D打印的接觸器，照片來自阿貢國家實(shí)驗(yàn)室

3D打印如何減少核廢料？

雖然核能是一種成熟可靠的電力來源，但存在一個巨大的障礙是管理和處置核裂變產(chǎn)生的放射性副產(chǎn)品。如果乏燃料排放率保持在目前的水平，美國98座正在運(yùn)行的商業(yè)核電反應(yīng)堆，到2040年將需要儲存12.6萬噸的廢舊核燃料（UNF）。

阿貢的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些燃料中97%的可裂變成分可以被回收和再利用。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們擴(kuò)展了2013年引入的現(xiàn)有的錒系元素分離工藝（ALSEP），以分離所謂的次要錒系元素（MA），包括镎（Np）、镅（Am）和鋦（Cm）。

由于其速度和兼容性的優(yōu)勢，使用液對液的提取方法，新工藝設(shè)計(jì)成了最簡單、最標(biāo)準(zhǔn)化的方法，基于最小的調(diào)整和產(chǎn)生最大的穩(wěn)定性。在該工藝中，利用3D打印技術(shù)，創(chuàng)建了一組1.25厘米的離心接觸器。一旦連接后，這些接觸器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的再加工循環(huán)。

用于開發(fā)ALSEP庫的多級接觸器模塊，圖片通過科學(xué)報(bào)告。

更高效的ALSEP工藝

新的方法從現(xiàn)有的钚鈾還原提取（PUREX）工藝的末端開始，從核燃料中提取出鈾、钚和镎。這種液體混合物被引入到一排20個3D打印的接觸器中的一側(cè)，并將設(shè)計(jì)用于分離錒系元素的混合工業(yè)化學(xué)品插入另一側(cè)。然后離心機(jī)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個向外（或離心力），將里面的物質(zhì)分離出來。

在阿貢的研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的試驗(yàn)中，镅和Cm與鑭系化合物的分離度達(dá)到99.9%以上。用模擬拉菲特法分離的Am/Cm產(chǎn)物流的雜質(zhì)之和為3.2×10-3 g/L。此外，154Eu超過241Am的分離系數(shù)接近100，表明該工藝在工程規(guī)模上是可擴(kuò)展的。

離心式接觸器是該工藝的關(guān)鍵，3D打印使得復(fù)雜的流體裝置可以用內(nèi)部通道，并作為一個單一的部件進(jìn)行制造。此外，將多個接觸器階段集成到單個多級模塊中，減少了安裝的工作量，消除了潛在的故障點(diǎn)。

使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)接觸器不僅加快了生產(chǎn)過程，而且設(shè)備的設(shè)計(jì)還提供了一層防核擴(kuò)散的保護(hù)。連接20個接觸器的管子在每個裝置內(nèi)部運(yùn)行，使其難以接觸到放射性材料并將其轉(zhuǎn)移到非民用核實(shí)踐中。

目前的方法，需要耗時20多個小時完成分離，該方法仍處于早期發(fā)展階段。研究人員還在繼續(xù)探索新的方法，以減少過程中的體積，實(shí)現(xiàn)更大的分離。

阿貢團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)性ALSEP裝置，照片由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室提供。

研究人員的研究結(jié)果詳見于他們題為 "Closing the Nuclear Fuel Cycle with a Simplified Minor Actinide Lanthanide Separation Process (ALSEP)and Additive Manufacturing "的論文，該論文于2019年9月發(fā)表在Scientific Reports期刊上。這篇論文由Artem V. Gelis、Peter Kozak、Andrew T. Breshears、M. Alex Brown、Cari Launiere、Emily L. Campbell、Gabriel B. Hall、Tatiana G. Levitskaia、Vanessa E. Holfeltz和Gregg J. Lumetta共同撰寫。

編譯自：3dprintingindustry