Femtiosex miljoner gallon. Det är mängden radioaktivt tankavfall som lämnats kvar på Hanford-platsen som ett resultat av det hemliga regeringsuppdraget att tillhandahålla plutonium till världens första atomvapen och det kalla kriget som följde. Idag är Hanford-platsen känd som en av världens mest tekniskt komplexa miljöutmaningar.
"Mängden äldre avfall som måste behandlas och kostnaderna för att göra det är astronomiska. Det är en enorm summa pengar och tills det problemet är löst måste vi fortsätta övervaka tankarna", säger Reid Peterson, kemiingenjör vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
Peterson har tillbringat nästan tre decennier med att arbeta med tankavfallsfrågor för Department of Energy (DOE) Office of Environment Management. Han var en del av ett nationellt svar för att kontrollera att bensengasburpar i en avfallstank på Savannah River Site inte nådde brandfarlighetsgränserna. Han hjälpte till att utveckla olika kemiska separationstekniker. Men bland hans många bidrag till utmaningen att sanera sådant kemiskt komplext radioaktivt avfall, står en ansträngning över andra:att fånga upp cesium-137.
Cesium-137 är mestadels av människan. Det finns i stora mängder i kärnavfall eftersom det är en biprodukt av att tillverka plutonium, ett nödvändigt steg i kärnvapenproduktionen. Forskare har upptäckt hur man säkert lagrar detta radioaktiva avfall i glas, men innan det kan hända måste en del av vätsketankavfallet behandlas för att ta bort det mesta av cesium-137.
Det beror på att den typ av gammastrålning den avger – högre energi än röntgenstrålar – kan tränga igenom människokroppen och till och med genom stål, vilket gör det för farligt för arbetare att använda och underhålla den processteknik som används för att tillverka lågaktivt avfallsglas. Det har varit Petersons utmaning i över ett decennium. Från och med idag, med stödjande forskning från PNNL, har personal på Hanford tagit bort cesium från mer än 697 000 liter tankavfall – en betydande milstolpe i saneringsframstegen i Hanford.
2008 visade Peterson och andra forskare vid PNNL framgångsrikt i ett pilotprojekt att de kunde ta bort cesium med hjälp av ett system som satts bredvid en kärnavfallstank. Att koppla in ett borttagningssystem direkt i en enda tank visade sig vara ett kostnadseffektivt tillvägagångssätt.
Demonstrationen visade sig viktig när tre korta år senare, en jordbävning och den resulterande tsunamin orsakade en kärnsmälta vid Fukushima Daiichi kärnkraftverk i Japan. Cesiumborttagningsteknik var tvungen att accelereras och sättas in snabbt som svar på olyckan.
"Inom några dagar efter händelsen begav jag mig till DC för att göra en översyn av vilken teknik som skulle användas", sa Peterson. "Jag åkte flera gånger till Fukushima för att se över deras teknik för borttagning av cesium. Vi passerade reaktorerna som hade sprängts och min dosimeter plingade när vi körde förbi eftersom det fanns så mycket strålning."
Teamet fick ett DOE Secretary's Award 2011 för det svaret.
Saneringsarbetet i Fukushima fungerade som en katalysator för att distribuera liknande system vid Savannah River Site och så småningom i Hanford. I realtid såg världen effektiviteten av tekniken.
Ta bort cesium, fem liter per minut
Peterson är projektledaren som tog bort tekniken för borttagning av cesium från bänkskala till demonstration i full höjd, vilket ger tankfarmsoperatören förtroende att fortsätta med fullskalig verksamhet. På Hanford-platsen kallas det TSCR-systemet (Tank-Side Cesium Removal).
TSCR förbehandlar avfall i ett system byggt inuti en fraktcontainer, där stålpelare placeras inuti med en gaffeltruck. Tankavfall matas genom ett filter och rinner in i en kolonn. Inuti kolonnen finns jonbytarmedia, bestående av en blandning av kiseldioxid och titan som huvudingredienser. Jonbytarmediet liknar små vita pärlor och även om de är små har de en mäktig kraft – fångar upp cesium.
"Det här älskar cesium," sa Peterson om jonbytarmediet. "När vätskan strömmar genom filtret och in i kolonnen suger media upp det mesta."
Det är en intrikat balans mellan att få vätskeflödets hastighet precis så att mediet har tillräckligt med tid att suga upp cesiumet.
Peterson och hans team på PNNL efterliknar TSCR i mindre skala i en speciell labbuppställning på Hanford-platsen som kallas Radioactive Waste Test Platform.
"Med Radioactive Waste Test Platform vet vi med säkerhet att TSCR fungerar som det ska eftersom vi har all denna labbdata som stämmer perfekt överens med systemets prestanda", sa han.
När kolumnen är full pausas systemet och kolumnen ersätts med en annan. Hanford TSCR-systemet har varit i drift sedan januari 2022. Det kan köras 24/7 med en flödeshastighet på 5 liter förbehandlat avfall per minut. Men vad händer med avfallet när det är förbehandlat?
Från radioaktiv vätska till stabilt glas
TSCR är steg ett i det större målet att stabilisera flytande avfall till glas - bokstavligen gör det till en del av glasstrukturen - med hjälp av en process som kallas förglasning. Personalen på Hanford kommer att använda förglasningsteknik för att blanda förbehandlat avfall med glasbildande material, värma det till över 1 150°C i en högtemperatursmältare och hälla det smälta glaset i stora stålkärl där det svalnar och stelnar för långtidsförvaring .
"Innan Hanford 'Vit Plant' startar måste 800 000 liter tankavfall förbehandlas och redo att användas", sa Peterson.
Förbehandling är ett viktigt steg av två huvudskäl:säkerhet och kostnad.
"Vi vill kunna utföra kontaktunderhåll på utrustningen i stället för att behöva göra allt på distans," sa Peterson. "Utan att cesium först togs bort skulle du behöva ha en 6 fot tjock vägg av betongskydd och hela designkonceptet skulle behöva förändras, vilket också skulle leda till högre kostnader."
Hanford Vit Plant, formellt kallad Waste Treatment and Immobilization Plant, är för närvarande planerad att börja arbeta 2025. Även om mer än 697 000 gallon är en viktig milstolpe, är det bara en liten buckla i avfallet som fortfarande väntar på förbehandling. Ett uppföljningsprojekt skulle möjligen kunna påskynda förbehandlingsprocessen genom att föra TSRC till en mycket större skala.
"Jag började den här karriären för 29 år sedan och har hållit fast vid det eftersom det är ett stort problem att lösa", sa Peterson, som nyligen hedrades för denna hängivenhet till kemiteknik av AIChE Nuclear Engineering Division med Robert E. Wilson Award.
"Jag får en lapp varje dag med hur många liter TSCR har behandlat," sa han. "Att kunna stödja något som är igång - och fungerar effektivt - känns som att vi gör riktigt viktiga framsteg."
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
