Los científicos de Argonne buscan la impresión 3D para aliviar la ansiedad por separación, que allana el camino para reciclar más material nuclear.

Los astronautas ahora imprimen sus propias piezas en el espacio para reparar la Estación Espacial Internacional. Los científicos de Harvard acaban de descubrir una forma de imprimir tejido de órganos, un paso importante hacia la posible creación de órganos biológicos impresos en 3D. Estos son solo dos ejemplos de cómo la impresión 3D, o fabricación aditiva, está revolucionando la ciencia y la tecnología.

Los avances en la impresión 3-D también están destinados a transformar la industria nuclear a medida que los científicos cosechan los beneficios de la creación de materiales flexibles. partes y sensores capa por capa. La fabricación aditiva puede incluso ayudarnos a reciclar el combustible nuclear usado de manera más eficiente. según un nuevo avance fundamental de los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Podemos reciclar los residuos de los reactores nucleares de varias formas, incluido un método desarrollado por científicos de Argonne en la década de 1970. Con estos enfoques, Los ingenieros nucleares pueden reciclar el 95 por ciento del combustible nuclear gastado de un reactor. dejando solo el cinco por ciento para ser almacenado como desperdicio a largo plazo. Pero ahora, por primera vez, Los científicos de Argonne han impreso piezas en 3-D que allanan el camino para reciclar aún más desechos nucleares, como se detalla en un artículo del 6 de septiembre en Informes científicos .

Reducir, reutilizar, reciclar

A primera vista, reciclar otro dos por ciento de los desechos nucleares puede no parecer mucho. Pero reduciría drásticamente tanto la cantidad de residuos almacenados como el tiempo que permanecen peligrosos.

"En lugar de almacenar el cinco por ciento durante cientos de miles de años, el tres por ciento restante debe almacenarse en un máximo de unos mil años, "dijo Andrew Breshears, químico nuclear de Argonne y coautor. "En otras palabras, este paso adicional puede reducir la duración del almacenamiento casi mil veces ”. Y descomponer ese material nuclear en un reactor rápido de cuarta generación generaría electricidad adicional.

Para lograr este objetivo, Los científicos de Argonne primero tuvieron que separar los isótopos de actínidos altamente radiactivos americio y curio de los lantánidos, o metales de tierras raras, cuales, en la mayor parte, no son radiactivos.

En 2013, el químico Artem V. Gelis, ahora con la Universidad de Nevada, Las Vegas, y sus colegas de Argonne crearon un plan para reciclar ese dos por ciento adicional llamado Proceso de separación de actínidos lantánidos (ALSEP).

Sin embargo, el equipo enfrentó un desafío científico común:cómo convertir su trabajo de tubos de ensayo en un laboratorio a un proceso más grande que se traduce en una escala industrial. Ahí es donde entró la fabricación aditiva.

El equipo rediseñó el proceso ALSEP en torno a dispositivos que separan los productos químicos, llamados contactores centrífugos. El ingeniero de Argonne, Peter Kozak, imprimió varios contactores y los unió, convirtiendo un proceso pequeño (y lento) en uno en el que los científicos pueden separar los actínidos de los lantánidos sin parar.

"Esto cierra la brecha entre la separación de los elementos a escala de laboratorio y a escala industrial, "dijo Breshears.

Aliviar la ansiedad por separación

Para hacer este descubrimiento, Los científicos de Argonne comenzaron con combustible nuclear simulado a partir del cual el uranio, El plutonio y el neptunio se habían extraído mediante un proceso modificado de extracción por reducción de uranio y plutonio (PUREX). El equipo agregó esta mezcla líquida que contiene el americio y el curio en un lado de la fila de 20 contactores. Por otro lado, el equipo agregó una mezcla de químicos industriales que fueron diseñados para separar los actínidos.

Siguiendo un plan de separación de 36 pasos, los científicos eliminaron el 99,9 por ciento de los actínidos de los lantánidos. Esta fue una hazaña sorprendente porque ambos conjuntos de elementos comparten una química similar. "Sus estados de oxidación son los mismos, haciéndolos muy difíciles de separar, "dijo Breshears.

Por el camino, los científicos encontraron dos beneficios adicionales al usar piezas impresas en 3D. La primera es que los contactores ofrecían salvaguardias inherentes contra la proliferación nuclear. Los tubos que conectan los 20 contactores corren dentro de cada dispositivo, lo que dificulta el desvío del plutonio u otro material radiactivo del proceso.

La segunda es que las piezas impresas en 3D son flexibles. "Si una pieza falla, sería fácil reimprimirlo y reemplazarlo. Podríamos agregar o eliminar pasos fácilmente, "Dijo Kozak.

Si bien este avance es un paso en la dirección correcta, se necesita hacer más trabajo. "Quizás encontremos una nueva forma de reducir el tamaño del proceso, "dijo Breshears." Cuanto más sepamos los actínidos, cuanto más podamos reducir el impacto que tienen en el público y el medio ambiente ".