ПННЛ

Для переработки отработавшее ядерное топливо подается в систему химической обработки, которая отделяет актинидные элементы, которые могут быть переработаны в виде смешанного оксидного топлива для производства большего количества электроэнергии. В PNNL это исследование проводится в Лаборатории радиохимической обработки, нереакторном ядерном исследовательском центре категории опасности II.

(Фото Андреа Старр | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория)

Поделиться: Поделиться на Facebook Поделиться на Twitter Поделиться на LinkedIn Электронная почта Кому:

Представьте себе, что вы наполняете свой бензобак 10 галлонами бензина, проезжаете ровно столько, чтобы сжечь полгаллона, а остальное выбрасываете. Затем повторите. По сути, это практика, которой следует атомная промышленность США.

Отработавшее ядерное топливо электростанций по-прежнему имеет 95% своего потенциала для производства электроэнергии. В настоящее время планируется захоронение отработавшего ядерного топлива в геологическом хранилище. Так почему же его не перерабатывают? Оказывается, отделить годные от непригодных частей отработавшего ядерного топлива сложно.

«Отработавшее ядерное топливо содержит примерно половину таблицы Менделеева. Так что с точки зрения химии происходит много всего», — сказал Грегг Люметта, химик и сотрудник лаборатории PNNL.«А для снижения риска распространения лучше всего, если чистый плутоний не будет производиться ни на одном этапе процесса разделения».

Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) разработали инновационную возможность быстрого разделения, мониторинга и строгого контроля конкретных соотношений урана и плутония в режиме реального времени, что является важным достижением в области эффективного контроля получаемого продукта и защиты ядерного материала.

Двухступенчатая установка по переработке отработавшего ядерного топлива

В связи с растущим спросом на безуглеродную энергию атомная энергетика является одним из вариантов в сочетании с «зеленой» энергией, особенно с появлением на горизонте усовершенствованных реакторов. Тем не менее, есть еще несколько серьезных проблем, которые необходимо решить: что происходит с отработавшим ядерным топливом, которое в настоящее время не используется, и как мы можем обеспечить энергией современные реакторы?

«Возможно, у этих проблем есть одно и то же решение — переработка отработавшего ядерного топлива для производства нового топлива, — сказала Аманда Лайнс, химик PNNL. ?»

Новые усовершенствованные реакторы могут быть спроектированы для работы на переработанном топливе. Но переработка отработавшего ядерного топлива означает отделение плутония для производства энергии от всего остального в смеси, но не выделение его в чистом виде, что рассматривается как риск распространения. Кроме того, конечный продукт должен иметь точное соотношение урана и плутония для производства нового топлива, которое можно повторно использовать в ядерных реакторах.

Деконструированная заправка для салата

Разделение отработавшего ядерного топлива похоже на попытку разобрать заправку для салата винегрет с целью заменить ингредиенты уксусом на масло.

Химическая суспензия подается в центрифужную систему обработки, которая выглядит как гигантский короб для пилюль, в каждом отделении которого есть ротор для смешивания. Раствор течет от одного конца системы к другому, смешиваясь, центрифугируя, добавляя или удаляя различные химические компоненты.На протяжении всего процесса мониторинг в режиме реального времени дает важную информацию о том, какие корректировки необходимо внести для поддержания определенного химического состава.

«Мониторинг в режиме реального времени имел решающее значение для определения точного соотношения химических элементов. Мы действительно сосредоточились на процентном соотношении урана и плутония и точно знали, какими они были в любой момент», — сказал Лайнс.

Мониторинг в режиме реального времени также повышает эффективность, снижает затраты и переводит установленный процесс в более современную и футуристическую область.

«В конечном счете, это расширяет возможности исследователей и операторов, предоставляя почти мгновенную информацию, помогающую контролировать и понимать химические процессы», — сказал Лайнс.

Возможности мониторинга PNNL в режиме реального времени экспоненциально развивались за последние 25 лет, пересекаясь с долгой историей исследований по переработке и разделению топлива.

От промышленного до микромасштаба

Исследователи сепарации часто полагаются на искусственно созданное имитации отработавшего ядерного топлива для имитации химических процессов, поскольку фактическое отработавшее ядерное топливо дорого приобретать и изучать. Однако имитация отработавшего ядерного топлива также является дорогостоящей, особенно в крупных промышленных масштабах, необходимых для изучения процессов рециркуляции и разделения.

Чтобы решить эту проблему, PNNL разработала дополнительные подходы, которые можно реализовать в гораздо меньших масштабах и с меньшими затратами. Используя микрофлюидику или технологию «лаборатория на чипе» в сочетании с мониторингом в реальном времени, исследователи могут отслеживать химические процессы на чем-то размером с предметное стекло микроскопа.

«Мы можем проводить те же типы исследований разделения и отслеживать точный состав компонентов уранового топлива и продуктов деления на протяжении всего процесса переработки, аналогично тому, что делается в лаборатории или в промышленных масштабах», — сказал Лайнс.

Исследователи также могут использовать реальное отработавшее ядерное топливо, потому что масштаб намного меньше. «Эта технология экономически эффективна и открывает невероятные возможности для разработки и продвижения подходов к переработке», — сказал Лайнс.

50+ лет переработки и разделения отработавшего ядерного топлива

От снижения количества радиации в высокоактивных радиоактивных отходах до разработки процесса разделения для удаления опасных элементов из отработавшего топлива, PNNL имеет долгую историю решения некоторых из самых сложных национальных проблем с отработавшим ядерным топливом.

«Мы продвигаем операции топливного цикла на протяжении десятилетий, — сказал Луметта. — Эта самая последняя работа является платформой для нас, которую мы можем расширить, поскольку мы продолжаем заниматься химическим разделением для передовых вариантов топливного цикла».

Исследования в области разделения топливного цикла и мониторинга в режиме реального времени еще больше расширяют возможности PNNL в отношении других применений отработавшего ядерного топлива в будущем. В двух недавних журнальных статьях освещались эти результаты исследований, спонсируемых Управлением по ядерной энергии Министерства энергетики США в рамках Программы исследований и разработок в области ядерных технологий:

• «Включение микромасштабной обработки: комбинированная рамановская и абсорбционная спектроскопия для микрожидкостного онлайн-мониторинга», опубликованная 19 декабря 2020 г. в выпуске журнала Аналитическая химия, DOI: /10.1021/acs.analchem.0c04225. В группу микромасштабной обработки входят: Хоуп Лэки из PNNL, Хизер Фелми, Ханна Брайан, Сэм Брайан и Аманда Лайнс, а также Гилберт Нельсон (Колледж Айдахо), Джоб Белло (Spectra Solutions) и Фабрис Ламади (Университет Монпелье, Франция). .
• «Sensor Fusion: комплексный онлайн-мониторинг для управления технологическими процессами с помощью видимой, ближней инфракрасной и рамановской спектроскопии», опубликованный в июльском выпуске журнала 2020 г. Датчики СКУД, DOI: 10.1021/acssensors.0c00659 . В группу по слиянию датчиков входят: Аманда Лайнс из PNNL, Гейб Холл, Сьюзан Асмуссен, Джаррод Оллред, Сергей Синьков, Форрест Хеллер, Грегг Люметта и Сэм Брайан, а также Нил Галлахер (Eigenvector Research).

О ПННЛ

Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория использует свои сильные стороны в области химии, наук о Земле, биологии и науке о данных для расширения научных знаний и решения проблем в области устойчивой энергетики и национальной безопасности. Основанная в 1965 году, PNNL управляется Battelle для Управления науки Министерства энергетики, которое является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах. Управление науки Министерства энергетики работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/science. Для получения дополнительной информации о PNNL посетите Центр новостей PNNL. Следите за нами в Twitter, Facebook, LinkedIn и Instagram.

Опубликовано: 14 мая 2021 г.