Kärnkraften fortsätter att expandera globalt, framdrivna, till viss del, genom att den ger få utsläpp av växthusgaser samtidigt som den ger en jämn effekt. Men tillsammans med den expansionen kommer ett ökat behov av att hantera de stora volymer vatten som används för att kyla dessa anläggningar, som blir förorenad med radioaktiva isotoper som kräver särskild långsiktig avfallshantering.

Nu, en metod utvecklad vid MIT ger ett sätt att avsevärt minska volymen förorenat vatten som behöver kasseras, istället koncentrera föroreningarna och låta resten av vattnet återvinnas genom anläggningens kylsystem. Det föreslagna systemet beskrivs i tidskriften Miljövetenskap och teknik , i en uppsats av doktoranden Mohammad Alkhadra, professor i kemiteknik Martin Bazant, och tre andra.

Metoden använder sig av en process som kallas chockelektrodialys, som använder ett elektriskt fält för att generera en avjoniseringschockvåg i vattnet. Stötvågen trycker de elektriskt laddade partiklarna, eller joner, till ena sidan av ett rör fyllt med laddat poröst material, så att koncentrerad ström av föroreningar kan separeras från resten av vattnet. Gruppen upptäckte att två radionuklidföroreningar - isotoper av kobolt och cesium - selektivt kan avlägsnas från vatten som också innehåller borsyra och litium. Efter att vattenströmmen är renad från dess kobolt- och cesiumföroreningar, den kan återanvändas i reaktorn.

Chockelektrodialysprocessen utvecklades ursprungligen av Bazant och hans medarbetare som en allmän metod för att ta bort salt från vatten, som visades i deras första skalbara prototyp för fyra år sedan. Nu, teamet har fokuserat på denna mer specifika applikation, vilket skulle kunna bidra till att förbättra ekonomin och miljöpåverkan från fungerande kärnkraftverk. I pågående forskning, de fortsätter också att utveckla ett system för att ta bort andra föroreningar, inklusive bly, från dricksvatten.

Det nya systemet är inte bara billigt och skalbart till stora storlekar, men i princip kan den också hantera ett brett spektrum av föroreningar, säger Bazant. "Det är en enda enhet som kan utföra en hel rad separationer för vilken specifik applikation som helst, " han säger.

I deras tidigare avsaltningsarbete, forskarna använde mätningar av vattnets elektriska konduktivitet för att bestämma hur mycket salt som togs bort. Under åren sedan dess, laget har utvecklat andra metoder för att upptäcka och kvantifiera detaljerna om vad som finns i det koncentrerade radioaktiva avfallet och det rengjorda vattnet.

"Vi mäter noggrant sammansättningen av alla saker som går in och ut, säger Bazant, vem är E.G. Roos professor i kemiteknik samt professor i matematik. "Detta öppnade verkligen en ny riktning för vår forskning." De började fokusera på separationsprocesser som skulle vara användbara av hälsoskäl eller som skulle resultera i att koncentrera material som har högt värde, antingen för återanvändning eller för att kompensera för destruktionskostnader.

Metoden de utvecklade fungerar för avsaltning av havsvatten, men det är en relativt energikrävande process för den applikationen. Energikostnaden är dramatiskt lägre när metoden används för jonselektiva separationer från utspädda strömmar såsom kylvatten från kärnkraftverk. För denna applikation, som också kräver dyr avfallshantering, metoden är ekonomisk meningsfull, han säger. Det når också teamets båda mål:att hantera material med högt värde och att hjälpa till att skydda hälsan. Applikationens omfattning är också betydande - en enda stor kärnkraftsanläggning kan cirkulera cirka 10 miljoner kubikmeter vatten per år genom sitt kylsystem, säger Alkhadra.

För sina tester av systemet, forskarna använde simulerat kärnvattenvatten baserat på ett recept från Mitsubishi Heavy Industries, som sponsrade forskningen och är en stor byggare av kärnkraftverk. I lagets tester, efter en separationsprocess i tre steg, de kunde ta bort 99,5 procent av koboltradionukliderna i vattnet samtidigt som de behöll cirka 43 procent av vattnet i renad form så att det kunde återanvändas. Så mycket som två tredjedelar av vattnet kan återanvändas om rengöringsnivån sänks till 98,3 procent av föroreningarna som tas bort, laget hittade.

Även om den övergripande metoden har många potentiella tillämpningar, avskiljning av kärnavloppsvatten, är "ett av de första problemen vi tror att vi kan lösa [med den här metoden] som det inte finns någon annan lösning för, " säger Bazant. Inget annat praktiskt, kontinuerlig, ekonomisk metod har hittats för att separera de radioaktiva isotoperna av kobolt och cesium, de två stora föroreningarna av kärnvattenvatten, han lägger till.

Även om metoden kan användas för rutinmässig rengöring, det kan också göra stor skillnad när det gäller att hantera mer extrema fall, som miljontals liter förorenat vatten vid det skadade Fukushima Daichi kraftverket i Japan, där ansamlingen av det förorenade vattnet har hotat att övermanna inneslutningssystemen som är utformade för att förhindra att det läcker ut i det intilliggande Stilla havet. Medan det nya systemet hittills bara har testats i mycket mindre skalor, Bazant säger att sådana storskaliga dekontamineringssystem baserade på denna metod kan vara möjliga "inom några år."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.