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驗室的科學家們利用3D打印技術創(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97%。

這種新型工藝可以將科學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驗室

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生的放射性副產品。如果乏燃料排放率保持在目前的水平，美國98座正在運行的商業(yè)核電反應堆，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。為了實現(xiàn)這一目標，他們擴展了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，新工藝設計成了最簡單、最標準化的方法，基于最小的調整和產生最大的穩(wěn)定性。在該工藝中，利用3D打印技術，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，圖片通過科學報告。

更高效的ALSEP工藝

新的方法從現(xiàn)有的钚鈾還原提�。≒UREX）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，并將設計用于分離錒系元素的混合工業(yè)化學品插入另一側。然后離心機旋轉，產生一個向外（或離心力），將里面的物質分離出來。

在阿貢的研究實驗室進行的試驗中，镅和Cm與鑭系化合物的分離度達到99.9%以上。用模擬拉菲特法分離的Am/Cm產物流的雜質之和為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)模上是可擴展的。

離心式接觸器是該工藝的關鍵，3D打印使得復雜的流體裝置可以用內部通道，并作為一個單一的部件進行制造。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。

使用3D打印技術生產接觸器不僅加快了生產過程，而且設備的設計還提供了一層防核擴散的保護。連接20個接觸器的管子在每個裝置內部運行，使其難以接觸到放射性材料并將其轉移到非民用核實踐中。

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，實現(xiàn)更大的分離。

阿貢團隊的實驗性ALSEP裝置，照片由阿貢國家實驗室提供。

研究人員的研究結果詳見于他們題為 "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