Imagínese llenar su tanque de gasolina con 10 galones de gasolina, conduciendo lo suficientemente lejos como para quemar medio galón y descartando el resto. Luego, repetir. Esa es esencialmente la práctica que sigue la industria nuclear estadounidense.

El combustible nuclear gastado de las centrales eléctricas todavía tiene el 95% de su potencial para producir electricidad. Los planes actuales son eliminar el combustible nuclear gastado en un depósito geológico. Entonces, ¿Por qué no se recicla? Resulta que separar las partes utilizables de las inutilizables del combustible nuclear gastado es complicado.

"El combustible nuclear gastado contiene aproximadamente la mitad de la tabla periódica. Entonces, desde el punto de vista de la química, Están pasando muchas cosas, "dijo Gregg Lumetta, Químico y compañero de laboratorio de la PNNL. "Y para reducir el riesgo de proliferación, es mejor si no se produce plutonio puro en ningún punto del proceso de separación ".

Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) desarrollaron una capacidad innovadora para separar rápidamente, monitor, y controlar estrictamente las proporciones específicas de uranio y plutonio en tiempo real, un logro importante en el control eficiente del producto resultante y la protección de los materiales nucleares.

Un doble de reciclaje de combustible nuclear gastado

Con la creciente demanda de energía libre de carbono, la energía nuclear es una opción en la combinación de energías verdes, particularmente con reactores avanzados en el horizonte. Todavía, todavía quedan grandes retos por superar:qué sucede con el combustible nuclear gastado que actualmente no se utiliza, y ¿cómo alimentamos los reactores avanzados?

"Quizás, estos desafíos tienen la misma solución:reciclar el combustible nuclear gastado para producir nuevo combustible, "dijo Amanda Lines, un químico de PNNL. "En un mundo de mayor demanda de energía desafiado por la creciente huella de carbono, ¿cómo podemos utilizar mejor el combustible nuclear gastado? "

Se podrían diseñar nuevos reactores avanzados para que funcionen con combustible reciclado. Pero reciclar el combustible nuclear gastado significa separar el plutonio generador de energía de todo lo demás en la mezcla sin separarlo en forma pura. que se considera un riesgo de proliferación. También, el producto final debe ser una proporción precisa de uranio a plutonio para producir nuevo combustible que pueda reutilizarse en reactores nucleares.

Aderezo para ensaladas deconstruido

Separar el combustible nuclear gastado es como intentar deconstruir el aderezo de vinagreta para ensaladas con el objetivo de pasar los ingredientes del vinagre al aceite.

La lechada química se alimenta a un sistema de procesamiento de centrífuga, que parece un pastillero gigante con cada compartimento que contiene un rotor para mezclar. La solución fluye de un extremo del sistema al otro, mezcla centrifugado, agregando, o restando diferentes componentes químicos a lo largo del camino. Durante todo el proceso, El monitoreo en tiempo real proporciona información crítica sobre los ajustes que se deben realizar para mantener composiciones químicas específicas.

"El monitoreo en tiempo real fue fundamental para determinar las proporciones exactas de elementos químicos. Realmente nos enfocamos en los porcentajes de uranio-plutonio y sabíamos exactamente cuáles eran en un punto dado, "dijo Lines.

El monitoreo en tiempo real también mejora la eficiencia, reduce costos, y lleva un proceso establecido a un ámbito más moderno y futurista.

"Por último, empodera a los investigadores y operadores al proporcionar información casi instantánea para ayudar a controlar y comprender los procesos químicos, "dijo Lines.

Las capacidades de monitoreo en tiempo real de PNNL han evolucionado exponencialmente durante los últimos 25 años, que se cruza con una larga historia de investigación de separaciones y reciclaje de combustible.

De industrial a microescala

Los investigadores de separaciones a menudo se basan en hechos por el hombre, Combustible nuclear gastado simulado para imitar los procesos químicos porque el combustible nuclear gastado real es caro de adquirir y estudiar. Sin embargo, El combustible nuclear gastado simulado también es costoso, particularmente en el grande, Balanzas industriales necesarias para estudiar procesos de reciclado y separaciones a granel.

Para abordar ese desafío, PNNL ha desarrollado enfoques complementarios que se pueden realizar a una escala mucho más pequeña, y mucho menos costoso, escala. Usando microfluidos, o laboratorio en un chip, tecnología junto con monitoreo en tiempo real, los investigadores pueden rastrear procesos químicos en algo del tamaño de un portaobjetos de microscopio.

"Podemos realizar los mismos tipos de estudios de separaciones y rastrear la composición exacta de los componentes del combustible de uranio y los productos de fisión a lo largo de los procesos de reciclaje, similar a lo que se hace a escala de laboratorio o industrial, "dijo Lines.

Los investigadores también pueden utilizar combustible nuclear gastado real porque la escala es mucho más pequeña. "Esta tecnología es rentable y permite oportunidades increíbles para desarrollar y promover enfoques de reciclaje, "dijo Lines.

Más de 50 años de reciclaje y separaciones de combustible nuclear gastado

Desde la reducción de la cantidad de radiación en los desechos radiactivos de alta actividad hasta el desarrollo de un proceso de separación para eliminar los elementos peligrosos del combustible gastado, PNNL tiene una larga trayectoria resolviendo algunos de los desafíos más difíciles de combustible nuclear gastado del país.

"Hemos avanzado en las operaciones del ciclo del combustible durante décadas, ", Dijo Lumetta." Este trabajo más reciente es una plataforma en la que podemos expandirnos a medida que continuamos buscando separaciones químicas para opciones avanzadas de ciclo de combustible ".