Argonne-forskare ser till 3D utskrift för att lindra separationsångest, vilket banar väg för att återvinna mer kärnmaterial.

Astronauter trycker nu sina egna delar i rymden för att reparera den internationella rymdstationen. Forskare vid Harvard har precis upptäckt ett sätt att skriva ut organvävnad, ett viktigt steg mot att eventuellt skapa 3D-tryckta biologiska organ. Det här är bara två exempel på hur 3D utskrift, eller additiv tillverkning, revolutionerar vetenskap och teknik.

Framsteg inom 3D utskrift är också redo att förändra kärnkraftsindustrin när forskare skördar frukterna av att skapa flexibla material, delar och sensorer lager för lager. Additiv tillverkning kan till och med hjälpa oss att återvinna använt kärnbränsle mer effektivt, enligt ett nytt avgörande genombrott av forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory.

Vi kan återvinna avfall från kärnreaktorer på flera sätt, inklusive en metod som utvecklades av Argonne-forskare på 1970-talet. Med dessa tillvägagångssätt, kärntekniker kan återvinna 95 procent av det använda kärnbränslet från en reaktor, lämnar endast fem procent kvar som långtidsavfall. Men nu, för första gången, Argonne-forskare har tryckt 3D delar som banar väg för att återvinna ännu mer kärnavfall, som beskrivs i en artikel 6 september i Vetenskapliga rapporter .

Minska, återanvändning, återvinna

Vid första ögonkastet, återvinning av ytterligare två procent av kärnavfallet låter kanske inte så mycket. Men det skulle dramatiskt minska både mängden avfall som lagras och den tid det förblir farligt.

"Istället för att lagra fem procent i hundratusentals år, de återstående tre procenten behöver lagras i maximalt cirka tusen år, " sa Andrew Breshears, en Argonne kärnkemist och medförfattare. "Med andra ord, Detta ytterligare steg kan minska lagringstiden nästan tusen gånger." Och att bryta ner det kärnmaterialet i en fjärde generationens snabbreaktor skulle generera ytterligare el.

För att uppnå detta mål, Argonne-forskare var först tvungna att separera de högradioaktiva aktinidisotoperna americium och curium från lantaniderna, eller sällsynta jordartsmetaller, som, för det mesta, är inte radioaktiva.

Tillbaka 2013, kemisten Artem V. Gelis, nu med University of Nevada, Las Vegas, och hans Argonne-kollegor skapade en plan för att återvinna de extra två procenten som kallas Actinide Lanthanide Separation Process (ALSEP).

Ändå stod teamet inför en gemensam vetenskaplig utmaning:hur man konverterar sitt arbete från provrör i ett laboratorium till en större process som översätts till industriell skala. Det var där additiv tillverkning kom in.

Teamet gjorde om ALSEP processen kring enheter som separerar kemikalier, kallade centrifugalkontaktorer. Argonne-ingenjören Peter Kozak skrev ut flera kontaktorer och kopplade ihop dem, att förvandla en liten (och långsam) process till en process där forskare kan separera aktinider från lantanider non-stop.

"Detta överbryggar klyftan mellan att separera elementen i laboratorieskala och i industriell skala, sa Breshears.

Lindrar separationsångest

För att göra denna upptäckt, Argonne-forskare började med simulerat kärnbränsle från vilket uran, plutonium och neptunium hade extraherats via en modifierad Plutonium Uranium Reduction Extraction (PUREX) process. Teamet lade till denna flytande blandning innehållande americium och curium på ena sidan av raden med 20 kontaktorer. På andra sidan, teamet lade till en blandning av industriella kemikalier som utformades för att separera aktiniderna.

Genom att följa en 36-stegs separationsritning, forskarna tog bort 99,9 procent av aktiniderna från lantaniderna. Detta var en slående bedrift eftersom båda uppsättningarna av element delar liknande kemi. "Deras oxidationstillstånd är desamma, gör dem mycket svåra att separera, sa Breshears.

Längs vägen, forskarna fann ytterligare två fördelar med att använda 3D-tryckta delar. Den första är att kontaktorerna erbjöd inneboende skydd mot kärnvapenspridning. Rören som ansluter de 20 kontaktorerna löper inuti varje enhet, vilket gör det svårare att avleda plutonium eller annat radioaktivt material från processen.

Det andra är att 3D-tryckta delar är flexibla. "Om en del misslyckades, det skulle vara lätt att skriva ut och byta ut det. Vi kan enkelt lägga till eller ta bort steg, " sa Kozak.

Även om detta framsteg är ett steg i rätt riktning, mer arbete måste göras. "Kanske kommer vi att hitta ett nytt sätt att skära ner på storleken på processen, " sa Breshears. "Ju mer vi kan separera aktiniderna, desto mer kan vi minska den påverkan de har på allmänheten och miljön."