美国能源部利用3D打印将核废料回收率提高到97％

美国能源部利用3D打印将核废料回收率提高到97％ 发布时间：2020-05-15 08:14:09，阅读次数：349 [优化][原稿] 更多

2020年5月13日，南极熊从外媒获悉，来自美国能源部阿贡国家实验室的科学家们利用3D打印技术创造了一种新的核废料再利用方法，这种方法可以使核废料的回收率高达97%。

这种新型工艺可以将科学家们能够再利用的燃料比例从现有工艺下的95%提高到97%。虽然这可能最初看起来并不代表重大进展，但它可以大大减少需要储存的废旧燃料的数量，以及它的危险时间。

阿贡核化学家Andrew Breshears说："与其将5%的燃料储存几十万年，不如将剩下的3%的燃料最多需要储存一千年左右，换句话说，这一步可能会将储存时间缩短近千倍。"

3D打印的接触器，照片来自阿贡国家实验室

3D打印如何减少核废料？

虽然核能是一种成熟可靠的电力来源，但存在一个巨大的障碍是管理和处置核裂变产生的放射性副产品。如果乏燃料排放率保持在目前的水平，美国98座正在运行的商业核电反应堆，到2040年将需要储存12.6万吨的废旧核燃料（UNF）。

阿贡的科学家发现，这些燃料中97%的可裂变成分可以被回收和再利用。为了实现这一目标，他们扩展了2013年引入的现有的锕系元素分离工艺（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的优势，使用液对液的提取方法，新工艺设计成了最简单、最标准化的方法，基于最小的调整和产生最大的稳定性。在该工艺中，利用3D打印技术，创建了一组1.25厘米的离心接触器。一旦连接后，这些接触器可以实现连续的再加工循环。

用于开发ALSEP库的多级接触器模块，图片通过科学报告。

更高效的ALSEP工艺

新的方法从现有的钚铀还原提取（PUREX）工艺的末端开始，从核燃料中提取出铀、钚和镎。这种液体混合物被引入到一排20个3D打印的接触器中的一侧，并将设计用于分离锕系元素的混合工业化学品插入另一侧。然后离心机旋转，产生一个向外（或离心力），将里面的物质分离出来。

在阿贡的研究实验室进行的试验中，镅和Cm与镧系化合物的分离度达到99.9%以上。用模拟拉菲特法分离的Am/Cm产物流的杂质之和为3.2×10-3 g/L。此外，154Eu超过241Am的分离系数接近100，表明该工艺在工程规模上是可扩展的。

离心式接触器是该工艺的关键，3D打印使得复杂的流体装置可以用内部通道，并作为一个单一的部件进行制造。此外，将多个接触器阶段集成到单个多级模块中，减少了安装的工作量，消除了潜在的故障点。

使用3D打印技术生产接触器不仅加快了生产过程，而且设备的设计还提供了一层防核扩散的保护。连接20个接触器的管子在每个装置内部运行，使其难以接触到放射性材料并将其转移到非民用核实践中。

目前的方法，需要耗时20多个小时完成分离，该方法仍处于早期发展阶段。研究人员还在继续探索新的方法，以减少过程中的体积，实现更大的分离。

阿贡团队的实验性ALSEP装置，照片由阿贡国家实验室提供。

研究人员的研究结果详见于他们题为 "Closing the Nuclear Fuel Cycle with a Simplified Minor Actinide Lanthanide Separation Process (ALSEP)and Additive Manufacturing "的论文，该论文于2019年9月发表在Scientific Reports期刊上。这篇论文由Artem V. Gelis、Peter Kozak、Andrew T. Breshears、M. Alex Brown、Cari Launiere、Emily L. Campbell、Gabriel B. Hall、Tatiana G. Levitskaia、Vanessa E. Holfeltz和Gregg J. Lumetta共同撰写。