Imaginez remplir votre réservoir d'essence avec 10 gallons d'essence, conduire juste assez loin pour brûler un demi-gallon et jeter le reste. Puis, répéter. C'est essentiellement la pratique suivie par l'industrie nucléaire américaine.

Le combustible nucléaire irradié des centrales électriques a encore 95 % de son potentiel pour produire de l'électricité. Les plans actuels consistent à éliminer le combustible nucléaire usé dans un dépôt géologique. Donc, pourquoi n'est-il pas recyclé ? Il s'avère que la séparation des parties utilisables et inutilisables du combustible nucléaire usé est compliquée.

"Le combustible nucléaire usé contient environ la moitié du tableau périodique. Donc, d'un point de vue chimique, Il se passe beaucoup de choses, " a déclaré Gregg Lumetta, Chimiste et chercheur en laboratoire du PNNL. « Et pour réduire le risque de prolifération, il est préférable que du plutonium pur ne soit produit à aucun moment du processus de séparation."

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont développé une capacité innovante pour séparer rapidement, surveiller, et contrôler étroitement les ratios spécifiques d'uranium et de plutonium en temps réel - une réalisation importante dans le contrôle efficace du produit résultant et la sauvegarde des matières nucléaires.

Une solution de recyclage du combustible nucléaire usé

Avec la demande croissante d'électricité sans carbone, le nucléaire est une option dans le mix énergétique vert, en particulier avec les réacteurs avancés à l'horizon. Encore, il reste encore de grands défis à relever :qu'advient-il du combustible nucléaire usé qui n'est actuellement pas utilisé, et comment alimentons-nous les réacteurs avancés ?

"Peut-être, ces défis ont la même solution :recycler le combustible nucléaire usé pour en faire du nouveau, " dit Amanda Lines, un chimiste du PNNL. « Dans un monde où la demande énergétique est croissante et confrontée à des empreintes carbone croissantes, comment pouvons-nous mieux utiliser le combustible nucléaire irradié ? »

De nouveaux réacteurs avancés pourraient être conçus pour fonctionner avec du combustible recyclé. Mais recycler le combustible nucléaire usé, c'est séparer le plutonium générateur d'énergie de tout le reste du mélange sans le séparer à l'état pur, qui est considéré comme un risque de prolifération. Aussi, le produit final doit être un rapport précis d'uranium au plutonium pour produire un nouveau combustible pouvant être réutilisé dans les réacteurs nucléaires.

Vinaigrette déconstruite

Séparer le combustible nucléaire irradié, c'est comme essayer de déconstruire la vinaigrette dans le but de déplacer les ingrédients du vinaigre à l'huile.

La suspension chimique est introduite dans un système de traitement par centrifugation, qui ressemble à un pilulier géant avec chaque compartiment contenant un rotor pour le mélange. La solution circule d'un bout à l'autre du système, mélange, centrifugation, ajouter, ou en soustrayant différents composants chimiques en cours de route. Tout au long du processus, la surveillance en temps réel fournit des informations essentielles sur les ajustements nécessaires pour maintenir des compositions chimiques spécifiques.

« La surveillance en temps réel était essentielle pour déterminer les rapports chimiques élémentaires exacts. Nous nous sommes vraiment concentrés sur les pourcentages d'uranium-plutonium et savions exactement ce qu'ils étaient à un moment donné, " dit Lines.

La surveillance en temps réel améliore également l'efficacité, réduit les coûts, et prend un processus établi dans un domaine plus moderne et futuriste.

"Finalement, il responsabilise les chercheurs et les opérateurs en fournissant des informations quasi instantanées pour aider à contrôler et à comprendre les processus chimiques, " dit Lines.

Les capacités de surveillance en temps réel du PNNL ont évolué de façon exponentielle au cours des 25 dernières années, recoupant une longue histoire de recherche sur le recyclage et la séparation des combustibles.

De l'industriel à la micro-échelle

Les chercheurs sur les séparations s'appuient souvent sur l'homme, combustible nucléaire usé simulé pour imiter les processus chimiques, car le combustible nucléaire usé réel est coûteux à acquérir et à étudier. Cependant, le combustible nucléaire usé simulé est également coûteux, particulièrement en général, échelles industrielles nécessaires à l'étude des procédés de recyclage et de séparation en vrac.

Pour relever ce défi, Le PNNL a développé des approches complémentaires qui peuvent être réalisées à un niveau beaucoup plus petit, et beaucoup moins cher, escalader. Grâce à la microfluidique, ou laboratoire sur puce, technologie couplée à une surveillance en temps réel, les chercheurs peuvent suivre les processus chimiques sur quelque chose de la taille d'une lame de microscope.

« Nous pouvons mener les mêmes types d'études de séparation et suivre la composition exacte des composants du combustible à l'uranium et des produits de fission tout au long des processus de recyclage, similaire à ce qui se fait à l'échelle du laboratoire ou de l'industrie, " dit Lines.

Les chercheurs sont également en mesure d'utiliser du combustible nucléaire irradié réel car l'échelle est beaucoup plus petite. "Cette technologie est rentable et offre des opportunités incroyables pour développer et faire progresser les approches de recyclage, " dit Lines.

Plus de 50 ans de recyclage et de séparation du combustible nucléaire usé

De la réduction de la quantité de rayonnement dans les déchets radioactifs de haute activité au développement d'un procédé de séparation pour éliminer les éléments dangereux dans le combustible usé, Le PNNL a une longue histoire à résoudre certains des défis les plus difficiles du pays en matière de combustible nucléaire usé.

« Nous faisons progresser les opérations du cycle du combustible depuis des décennies, " a déclaré Lumetta. " Ce travail le plus récent est une plate-forme sur laquelle nous pouvons nous étendre alors que nous continuons à rechercher des séparations chimiques pour des options avancées du cycle du combustible. "