L'énergie nucléaire continue de se développer à l'échelle mondiale, propulsé, en partie, par le fait qu'il produit peu d'émissions de gaz à effet de serre tout en fournissant une puissance de sortie constante. Mais cette expansion s'accompagne d'un besoin accru de gérer les grands volumes d'eau utilisés pour le refroidissement de ces usines, qui devient contaminé par des isotopes radioactifs qui nécessitent une élimination spéciale à long terme.

Maintenant, une méthode développée au MIT permet de réduire sensiblement le volume d'eau contaminée à éliminer, à la place, concentrer les contaminants et permettre au reste de l'eau d'être recyclé à travers le système de refroidissement de l'usine. Le système proposé est décrit dans la revue Sciences et technologies de l'environnement , dans un article de l'étudiant diplômé Mohammad Alkhadra, professeur de génie chimique Martin Bazant, et trois autres.

La méthode utilise un processus appelé électrodialyse de choc, qui utilise un champ électrique pour générer une onde de choc de déionisation dans l'eau. L'onde de choc pousse les particules chargées électriquement, ou des ions, à un côté d'un tube rempli de matériau poreux chargé, afin que le flux concentré de contaminants puisse être séparé du reste de l'eau. Le groupe a découvert que deux contaminants radionucléides, les isotopes du cobalt et du césium, peuvent être sélectivement éliminés de l'eau qui contient également de l'acide borique et du lithium. Une fois le flux d'eau nettoyé de ses contaminants de cobalt et de césium, il peut être réutilisé dans le réacteur.

Le procédé d'électrodialyse de choc a été initialement développé par Bazant et ses collaborateurs comme méthode générale d'élimination du sel de l'eau, comme démontré dans leur premier prototype évolutif il y a quatre ans. Maintenant, l'équipe s'est concentrée sur cette application plus spécifique, qui pourraient contribuer à améliorer l'impact économique et environnemental des centrales nucléaires en activité. Dans les recherches en cours, ils continuent également à développer un système d'élimination d'autres contaminants, y compris le plomb, de l'eau potable.

Non seulement le nouveau système est peu coûteux et adaptable aux grandes tailles, mais en principe, il peut également traiter un large éventail de contaminants, dit Bazant. "C'est un appareil unique qui peut effectuer toute une gamme de séparations pour n'importe quelle application spécifique, " il dit.

Dans leurs premiers travaux de dessalement, les chercheurs ont utilisé des mesures de la conductivité électrique de l'eau pour déterminer la quantité de sel éliminée. Dans les années qui ont suivi, l'équipe a développé d'autres méthodes pour détecter et quantifier les détails de ce qu'il y a dans les déchets radioactifs concentrés et l'eau nettoyée.

"Nous mesurons soigneusement la composition de toutes les choses qui entrent et sortent, " dit Bazant, qui est l'E.G. Roos Professeur de génie chimique ainsi que professeur de mathématiques. "Cela a vraiment ouvert une nouvelle direction pour notre recherche." Ils ont commencé à se concentrer sur des procédés de séparation qui seraient utiles pour des raisons de santé ou qui conduiraient à concentrer des matières à haute valeur ajoutée, soit pour la réutilisation, soit pour compenser les coûts d'élimination.

La méthode qu'ils ont développée fonctionne pour le dessalement de l'eau de mer, mais c'est un processus relativement énergivore pour cette application. Le coût énergétique est considérablement inférieur lorsque la méthode est utilisée pour des séparations sélectives d'ions à partir de flux dilués tels que l'eau de refroidissement des centrales nucléaires. Pour cette application, qui nécessite également une élimination coûteuse, la méthode a un sens économique, il dit. Il atteint également les deux objectifs de l'équipe :traiter des matériaux de grande valeur et contribuer à préserver la santé. L'échelle de l'application est également importante :une seule grande centrale nucléaire peut faire circuler environ 10 millions de mètres cubes d'eau par an à travers son système de refroidissement, dit Alkhadra.

Pour leurs tests du système, les chercheurs ont utilisé des eaux usées nucléaires simulées sur la base d'une recette fournie par Mitsubishi Heavy Industries, qui a parrainé la recherche et est un important constructeur de centrales nucléaires. Dans les tests de l'équipe, après un processus de séparation en trois étapes, ils ont pu éliminer 99,5 % des radionucléides de cobalt dans l'eau tout en conservant environ 43 % de l'eau sous forme nettoyée afin qu'elle puisse être réutilisée. Jusqu'à deux tiers de l'eau peuvent être réutilisés si le niveau de nettoyage est réduit à 98,3 pour cent des contaminants éliminés, l'équipe a trouvé.

Bien que la méthode globale ait de nombreuses applications potentielles, la séparation des eaux usées nucléaires, est "l'un des premiers problèmes que nous pensons pouvoir résoudre [avec cette méthode] pour lequel aucune autre solution n'existe, " dit Bazant. Pas d'autre pratique, continu, méthode économique a été trouvée pour séparer les isotopes radioactifs du cobalt et du césium, les deux principaux contaminants des eaux usées nucléaires, il ajoute.

Bien que la méthode puisse être utilisée pour le nettoyage de routine, cela pourrait aussi faire une grande différence dans le traitement de cas plus extrêmes, comme les millions de gallons d'eau contaminée à la centrale électrique endommagée de Fukushima Daichi au Japon, où l'accumulation de cette eau contaminée a menacé de maîtriser les systèmes de confinement conçus pour l'empêcher de s'écouler dans le Pacifique adjacent. Alors que le nouveau système n'a jusqu'à présent été testé qu'à des échelles beaucoup plus petites, Bazant dit que de tels systèmes de décontamination à grande échelle basés sur cette méthode pourraient être possibles "d'ici quelques années".

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.