Föreställ dig att fylla din bensintank med 10 liter gas, kör precis tillräckligt långt för att bränna en halv liter och slänga resten. Sedan, upprepa. Det är i huvudsak den praxis som den amerikanska kärnkraftsindustrin följer.

Använt kärnbränsle från kraftverk har fortfarande 95 % av sin potential att producera el. Nuvarande planer är att slutförvara det använda kärnbränslet i ett geologiskt förvar. Så, varför återvinns det inte? Det visar sig att det är komplicerat att separera användbara kontra oanvändbara delar av använt kärnbränsle.

"Använt kärnbränsle innehåller ungefär hälften av det periodiska systemet. Så, ur kemisynpunkt, det är mycket som händer, " sa Gregg Lumetta, PNNL-kemist och laborant. "Och för att minska risken för spridning, det är bäst om rent plutonium inte produceras vid något tillfälle i separationsprocessen."

Forskare från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) utvecklade en innovativ förmåga att snabbt separera, övervaka, och noggrant kontrollera specifika uran- och plutoniumförhållanden i realtid - en viktig prestation för att effektivt kontrollera den resulterande produkten och skydda kärnmaterial.

En tvåa för återvinning av använt kärnbränsle

Med den ökande efterfrågan på kolfri kraft, kärnkraft är ett alternativ i den gröna energimixen, särskilt med avancerade reaktorer vid horisonten. Än, det finns fortfarande några stora utmaningar att övervinna:vad händer med använt kärnbränsle som för närvarande inte används, och hur driver vi avancerade reaktorer?

"Kanske, dessa utmaningar har samma lösning – återvinning av använt kärnbränsle för att göra nytt bränsle, sa Amanda Lines, en PNNL-kemist. "I en värld av ökad energiefterfrågan utmanad av växande koldioxidavtryck, hur kan vi använda använt kärnbränsle bättre?"

Nya avancerade reaktorer skulle kunna designas för att rinna av återvunnet bränsle. Men att återvinna använt kärnbränsle innebär att separera det energigenererande plutoniumet från allt annat i blandningen utan att separera det i ren form, vilket ses som en spridningsrisk. Också, slutprodukten måste vara ett exakt förhållande mellan uran och plutonium för att producera nytt bränsle som kan återanvändas i kärnreaktorer.

Dekonstruerad salladsdressing

Att separera använt kärnbränsle är som att försöka dekonstruera vinägrettsalladsdressing med målet att flytta ingredienser från vinäger till olja.

Den kemiska slurryn matas in i ett centrifugbearbetningssystem, som ser ut som en gigantisk pillerlåda där varje fack innehåller en rotor för blandning. Lösningen flödar från ena änden av systemet till den andra, blanda, centrifugering, lägga till, eller subtrahera olika kemiska komponenter längs vägen. Under hela processen, realtidsövervakning ger kritiska insikter om vilka justeringar som behöver göras för att upprätthålla specifika kemiska sammansättningar.

"Realtidsövervakning var avgörande för att bestämma exakta kemiska grundämnesförhållanden. Vi fokuserade verkligen på uran-plutonium-procenten och visste exakt vad de var vid varje given tidpunkt, sa Lines.

Realtidsövervakning förbättrar också effektiviteten, minskar kostnaderna, och tar en etablerad process in i en mer modern och futuristisk värld.

"I sista hand, det ger forskare och operatörer kraft genom att tillhandahålla nästan omedelbar information för att hjälpa till att kontrollera och förstå kemiska processer, sa Lines.

PNNL:s övervakningsmöjligheter i realtid har utvecklats exponentiellt under de senaste 25 åren, korsar en lång historia av bränsleåtervinning och separationsforskning.

Från industri till mikroskala

Separationsforskare förlitar sig ofta på konstgjorda, simulerat använt kärnbränsle för att efterlikna de kemiska processerna eftersom faktiskt använt kärnbränsle är dyrt att skaffa och studera. Dock, simulerat använt kärnbränsle är också dyrt, särskilt på det stora, industriella vågar som är nödvändiga för att studera bulkåtervinnings- och separationsprocesser.

För att möta den utmaningen, PNNL har utvecklat kompletterande tillvägagångssätt som kan göras på ett mycket mindre, och mycket billigare, skala. Använda mikrofluidik, eller lab-on-a-chip, teknik i kombination med realtidsövervakning, forskare kan spåra kemiska processer på något som är lika stort som ett objektglas.

"Vi kan köra samma typer av separationsstudier och spåra den exakta sammansättningen av uranbränslekomponenter och klyvningsprodukter genom hela återvinningsprocessen, liknande det som görs i labb eller industriell skala, sa Lines.

Forskarna kan också använda faktiskt använt kärnbränsle eftersom skalan är så mycket mindre. "Denna teknik är kostnadseffektiv och möjliggör otroliga möjligheter att utveckla och främja återvinningsmetoder, sa Lines.

50+ år av återvinning och separationer av använt kärnbränsle

Från att minska mängden strålning i högaktivt radioaktivt avfall till att utveckla en separationsprocess för att ta bort farliga ämnen i använt bränsle, PNNL har en lång historia av att lösa några av landets tuffaste utmaningar för använt kärnbränsle.

"Vi har utvecklat bränslecykeldrift i decennier, ", sa Lumetta. "Detta senaste arbete är en plattform för oss att expandera på när vi fortsätter att sträva efter kemisk separation för avancerade bränslecykelalternativ."