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Argonne科學(xué)家討論利用3D打印回收核燃料

時間:2020-06-20 20:41 來源:中國3D打印 網(wǎng) 作者:中國3D打印網(wǎng) 閱讀:
       中國3D打印網(wǎng)6月20日訊,1989年,在美國運輸和危險材料小組委員會的一次聽證會上,名叫米莉·史密斯(Millie Smith)的婦女透露,她是美國疾病控制中心確定的20,000名兒童的秘密放射性釋放物質(zhì)受害者之一。根據(jù)專家的說法,華盛頓州哥倫比亞河漢福德核生產(chǎn)廠的地下儲罐中儲存的5000萬加侖核廢料已有數(shù)十年之久,今天仍然是歷史上最嚴重的核災(zāi)難之一。這位女士的敘述中透露了數(shù)十起患有威脅生命的疾病的案例。全世界有31個國家有450座核反應(yīng)堆在運行,因此,用過的核廢料的處理問題都會引起大家的關(guān)注。
         在尋找解決核廢料問題的方法時,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了如何回收核燃料。核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物可以通過多種方式回收,包括一種由美國能源部(DOE)阿爾貢國家實驗室在1970年代開發(fā)的方法。直到最近,核工程師仍可以從反應(yīng)堆中回收95%的乏核燃料,而只有5%可以作為長期廢物存儲。但是,阿貢國家實驗室的科學(xué)家一直在尋找重新利用核廢料的方法,去年,他們利用3D打印的靈活性作為一種途徑,可循環(huán)利用多達97%的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢燃料。這種新方法可以大大減少存儲的用過的燃料量,并減少其保持危險的時間。
       正如《科學(xué)報告》(Scientific Reports)中一篇文章所詳述的那樣,阿貢(Argonne)科學(xué)家擁有3D打印部件,為回收比以往更多的核廢料鋪平了道路。共同作者Peter Kozak,Andrew Breshears和Alex Brown報告說,他們的模型源于2013年發(fā)現(xiàn)的稱為in系元素鑭系元素分離工藝(ALSEP)的技術(shù)。他們聲稱,過去,研究人員一直在努力尋找一種方法,將他們的工作從實驗室規(guī)模轉(zhuǎn)移到更大的工業(yè)領(lǐng)域,但是由于合并了增材制造,這種情況已發(fā)生了顯著變化。


   從左到右的氬氣科學(xué)家:彼得·科扎克(Peter Kozak),安德魯·布雷西爾斯(Andrew Breshears),馬克斯·布朗(M Alex Brown)(來源:阿貢國家實驗室)
        為了更好地了解這一發(fā)現(xiàn)的過程和后果,Argonne的化學(xué)工程師Kozak表示,他對核工程的增材制造應(yīng)用感興趣。 Kozak是Argonne科學(xué)家團隊的成員,他們圍繞稱為離心接觸器(一種用于分離化學(xué)元素,包括核燃料后處理和醫(yī)學(xué)同位素生產(chǎn)的溶劑萃取設(shè)備)的設(shè)備重新設(shè)計了ALSEP工藝,該工藝可以通過增材制造來復(fù)制,從而提供靈活性和可靠性、快速的制造過程。通過印刷接觸器并將它們鏈接在一起,Argonne的工程師實現(xiàn)了連續(xù)的ALSEP過程。
        在過去的70年中,溶劑萃取一直是將重金屬與輕金屬以及彼此分離的主要手段。多年的發(fā)展和進步已經(jīng)產(chǎn)生了完成該過程的不同設(shè)備,包括混合沉降器和分離塔。離心式接觸器可以僅使用單個移動部件就可以混合,分離和泵送溶液,因此,代表了從臺式到大規(guī)模溶劑萃取過程的最有效設(shè)備。” Kozak說道, “想象一下,您決定做一個蛋糕。您可以用一只手打打雞蛋,攪打糖并將面糊混合。使用舊技術(shù)需要進行大量工作。如果可以的話,您可能會使用立式攪拌機。以此類推,您的舊攪拌器和攪拌器是您的手動攪拌器。我們的離心接觸器是您的新型,能耗較低的立式攪拌機。”
        據(jù)中國3D打印 網(wǎng)了解,接觸器的幾乎每個部分都經(jīng)過3D打印,除了電機和電氣等電氣部件。接觸器殼體,轉(zhuǎn)子和級間線是通過丙烯酸的立體光刻組件(SLA)制成的。結(jié)構(gòu)部件是從碳纖維增強的聚對苯二甲酸乙二醇酯在基于絲的打印機上印刷的。選擇這些材料是因為它們具有耐化學(xué)性以及機械強度。“接觸器的外殼和轉(zhuǎn)子是通過在Formlabs Form 2打印機上進行立體光刻組裝而制成的。結(jié)構(gòu)部件是通過熔絲制造在我們擁有的幾種不同機器上制造的。” Kozak說道。

      科學(xué)家使用了Argonne國家實驗室提供的3D打印資源來制造用于臺式演示的接觸器。對于Kozak而言,增材制造方法可簡化制造過程并降低人工和材料成本。此外,逐層組裝允許制造具有內(nèi)部通道作為單個組件的復(fù)雜流體裝置。利用靈活性,將多個接觸器級集成到單個多級模塊中,從而減少了安裝所需的工作量并消除了潛在的故障點。在此過程中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了使用3D打印部件的另外兩個好處。首先是接觸器提供了防止核擴散的內(nèi)在保障措施。連接20個接觸器的管子在每個設(shè)備的內(nèi)部運行,這使得從過程中轉(zhuǎn)移material或其他放射性物質(zhì)變得更加困難。此外,Kozak認為“ 3D打印部件具有靈活性,因此很容易重印和更換。”這也是當(dāng)今3D打印的一大優(yōu)勢,如果零件出現(xiàn)故障,可以輕松地重新打印和更換。
        即使在反應(yīng)堆中運行了五年之后,據(jù)估計,仍然有90%以上的燃料勢能得以保留。甚至有一些先進的反應(yīng)堆設(shè)計正在開發(fā)中,將來可能會消耗或使用用過的核燃料,而1000兆瓦的電(MWe)核反應(yīng)堆每年需要約27噸的新鮮燃料。 “隨著核燃料裂變衰減并被輻射到反應(yīng)堆內(nèi),一部分裂變材料被轉(zhuǎn)化為其他元素,稱為裂變產(chǎn)物。這些裂變產(chǎn)物中的一些會干擾裂變反應(yīng),因此,一旦大約95%至97%的燃料經(jīng)過此過程,就必須更換活塞桿。結(jié)果,大多數(shù)核廢料實際上是可以使用的燃料,只要可以將其分離出來再重新形成燃料棒即可。可以用幾種不同的方法對這種可用燃料進行初始回收,但是歷史上已經(jīng)使用稱為UREX的溶劑萃取工藝(類似于ALSEP)來完成,并且可以使用離心接觸器(包括AM制造的接觸器)進行。”
用于開發(fā)ALSEP庫的多級接觸器模塊
  用于開發(fā)ALSEP庫的多級接觸器模塊(來源:阿貢國家實驗室)
      如果科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了回收97%的核廢料的方法,那么剩下的3%怎么辦?根據(jù)Kozak的說法,“不回收3%的主要原因不是由于技術(shù)挑戰(zhàn),而是由于這些成分的放射性較低且壽命較短。該材料根本沒有足夠的價值或危險性,不足以證明其回收成本,而地質(zhì)儲藏庫是這3%的可接受替代方案。如果剩下的3%的一部分對行業(yè)和供應(yīng)商具有價值,那么可能會有技術(shù)上的推動來提取它們。因此,這不是困難問題,而是通過繼續(xù)進行流程帶來的增值問題。”
        盡管此方法仍處于研究的早期階段,但Kozak和他的同事認為還需要做更多的工作,因此他們計劃繼續(xù)探索減小方法規(guī)模并實現(xiàn)更大分離的新方法。實際上,Kozak說:“離心接觸器不會在美國的每個核電站中都使用。此外,美國與反應(yīng)堆相比,核監(jiān)管委員會(NRC)對乏燃料場址擁有單獨的許可和申請流程。因此,核電廠和乏核燃料后處理廠將在非常不同的地方,而離心接觸器將僅在以后使用。美國目前發(fā)現(xiàn)自己依靠開放的燃料循環(huán),沒有對商業(yè)乏核燃料進行大規(guī)模的后處理。現(xiàn)在,將乏燃料組件從反應(yīng)堆中取出,然后將其簡單地現(xiàn)場存儲在散布在美國各地的NRC認可和許可的乏燃料存儲桶中。在這種情況下,燃料只會占據(jù)美國多個地點的空間。” Kozak說道。
        從歷史上看,專家們認為核能是一種可靠的能源,其溫室氣體排放足跡可與風(fēng)能和太陽能相媲美,并且由于電力需求的增長速度是整體能源使用速度的兩倍,世界需要增加能源供應(yīng)。然而,對其擴大使用的障礙是核裂變的放射性副產(chǎn)物的管理和處置。盡管核能僅占世界電力的10%左右,但產(chǎn)生的廢物仍是政府,全社會關(guān)注的問題。 Argonne科學(xué)家提出的建議使他們更接近重用近100%的廢燃料,并將有助于克服朝著更可持續(xù),更環(huán)保的方向發(fā)展。

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(責(zé)任編輯:admin)

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