研究

能源部阿贡科学家使用3D打印回收97%的使用过的核燃料

来自美国能源部的科学家阿贡国家实验室他们使用3D打印技术创造了一种新的核废料再利用方法,这种方法可以使多达97%的核废料被回收。

这种新工艺可以将科学家们能够重复使用的燃料比例从现有工艺下的95%提高到97%。虽然这最初看起来并不代表重大进展,但它可以显著减少需要存储的已用燃料的数量,以及它仍然具有危险性的时间。

阿贡的核化学家、论文的合著者安德鲁·布雷斯希尔斯说:“不能将剩下的百分之五储存几十万年,剩下的百分之三最多需要储存大约一千年。”“换句话说,这一额外步骤可能会将存储长度减少近一千倍。”

3 d印刷接触器。图片来自阿贡国家实验室。
3 d印刷接触器。图片来自阿贡国家实验室。

3D打印如何减少核废料

虽然核能是电力的一个确定和可靠的来源,但扩大的一个障碍是管理和处置核裂变的放射性副产品。如果乏燃料排放率保持在目前的水平,到2040年,美国98个正在运行的商业核反应堆将需要储存12.6万吨乏燃料。

阿贡的科学家发现,这种燃料中97%的可裂变物质可以回收和重复使用。为了实现这一目标,他们扩展了2013年引入的现有锕系镧系元素分离工艺(ALSEP),以分离所谓的次要锕系元素(MA),包括镎(Np)、镅(Am)和锔(Cm)。

由于其速度和兼容性效益,使用液体到液体提取方法,新工艺设计为基于最小调整和产生最大稳定性的最简单,标准化的方法。在该过程中使用3D打印来创建一个1.25厘米离心接触器的银行。一旦连接,接触器就能实现连续的再处理环路。

多级接触器模块用于ALSEP银行的开发。图片来自科学报告。
多级接触器模块用于ALSEP银行的开发。图片来自科学报告。

更高效的ALSEP流程

新方法开始于现有的钚铀还原提取(PUREX)过程的末尾,从核燃料中提取铀、钚和镎。这种液体混合物被引入一排20个3D打印接触器的一侧,而用于分离锕系元素的工业化学品的混合物被插入另一侧。然后,离心机旋转,产生一种向外(或离心力)的力,将里面的物质分离。

在Argonne的研究实验室进行的测试期间,亚美和厘米与镧系有超过99.9%的镧系元素。发现使用模拟萃余液的AM / CM产物流的杂质的总和为3.2×10−3g / L。此外,分离系数接近100154欧盟过度241实现了Am,表明该过程在工程规模上是可扩展的。

离心接触器对该工艺至关重要,3D打印技术使复杂的流体设备能够以内部通道制造,并作为单个组件。此外,多个接触器级集成到单个多级模块中,减少了安装工作量,并消除了潜在的故障点。

不仅使用3D打印来生产接触器加速该过程,但设备的设计提供了增加的核扩散保护层。连接20个接触器的管在每个装置内部运行,使得难以进入和将放射性物质转移到非洲核实践中。

该方法遵循了36个阶段的蓝图,并花费了20多个小时来完成分离,目前仍处于开发的早期阶段。研究人员正在继续探索新的方法,以减少过程的规模,实现更大的分离。

阿贡团队的实验性ALSEP设置。图片来自科学报告。
阿贡团队的实验性ALSEP设置。图片来自阿贡国家实验室。

阿贡国家实验室和3D打印

Argonne研究团队一直在开发和试验3D打印技术的新应用,并在3月2020年3月宣布,他们已成功扩大了钼-99同位素的循环利用使用3D打印零件。他们希望利用新设备提高回收过程的效率,使生产商从昂贵的富钼矿中获得更多的钼-99。

与来自卡内基梅隆大学去年2月,阿贡研究人员使用高速x射线成像研究粉末基金属3D打印中的小孔效应。该研究帮助3D打印制造商更好地了解在打印过程中金属孔隙是如何形成的,并提供不太容易开裂和普遍缺陷的最终用途产品。

同样,与美国能源部一起工作,来自阿尔冈国家实验室的研究人员产生了“深潜水将其转化为金属3D打印机内的激光熔化过程。该研究为寻求改善增材制造工艺和增加全球工业采用的研究机构做出了贡献。

研究人员的发现在他们的论文《用简化的次次轻型硅藻土分离过程(ALSEP)和添加剂制造关闭核燃料循环,这篇文章发表在科学报告2019年9月出版。这篇论文是Artem V.Gelis,Peter Kozak,Andrew T. Breshears,M. Alex Brown,Cari Launiere,埃米莉L.坎贝尔,加布里埃尔B. Hall,Tatiana G. Levitskaia,Vanessa E. Holfettz和Gregg J. Lumetta.

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特征图像3D打印接触器。图片来自阿贡国家实验室。

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