Les scientifiques d'Argonne se tournent vers l'impression 3D pour soulager l'anxiété de séparation, qui ouvre la voie au recyclage de plus de matières nucléaires.

Les astronautes impriment désormais leurs propres pièces dans l'espace pour réparer la Station spatiale internationale. Des scientifiques de Harvard viennent de découvrir un moyen d'imprimer des tissus d'organes, une étape importante vers la création possible d'organes biologiques imprimés en 3D. Ce ne sont que deux exemples de la façon dont l'impression 3D, ou fabrication additive, révolutionne la science et la technologie.

Les progrès de l'impression 3D sont également sur le point de transformer l'industrie nucléaire alors que les scientifiques profitent des avantages de la création de matériaux flexibles, pièces et capteurs couche par couche. La fabrication additive peut même nous aider à recycler plus efficacement le combustible nucléaire irradié, selon une nouvelle percée cruciale réalisée par des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE).

Nous pouvons recycler les déchets des réacteurs nucléaires de plusieurs manières, y compris une méthode développée par les scientifiques d'Argonne dans les années 1970. Avec ces approches, les ingénieurs nucléaires peuvent recycler 95 % du combustible nucléaire usé d'un réacteur, ne laissant que cinq pour cent à stocker comme déchets à long terme. Mais maintenant, pour la première fois, Les scientifiques d'Argonne ont imprimé des pièces en 3D qui ouvrent la voie au recyclage d'encore plus de déchets nucléaires, comme détaillé dans un article du 6 septembre dans Rapports scientifiques .

Réduire, réutilisation, recycler

A première vue, recycler encore deux pour cent des déchets nucléaires peut sembler peu. Mais cela réduirait considérablement à la fois la quantité de déchets stockés et le temps pendant lequel ils restent dangereux.

"Plutôt que de stocker cinq pour cent pendant des centaines de milliers d'années, les trois pour cent restants doivent être stockés au maximum environ mille ans, " a déclaré Andrew Breshears, un chimiste nucléaire d'Argonne et co-auteur. "En d'autres termes, cette étape supplémentaire peut réduire la durée de stockage de près d'un millier. » Et la décomposition de cette matière nucléaire dans un réacteur à neutrons rapides de quatrième génération générerait de l'électricité supplémentaire.

Pour atteindre cet objectif, Les scientifiques d'Argonne ont d'abord dû séparer les isotopes hautement radioactifs des actinides, l'américium et le curium, des lanthanides, ou des métaux des terres rares, lequel, pour la plupart, ne sont pas radioactifs.

En 2013, le chimiste Artem V. Gelis, maintenant avec l'Université du Nevada, Las Vegas, et ses collègues d'Argonne ont créé un plan pour recycler ces deux pour cent supplémentaires appelé le processus de séparation des actinides et des lanthanides (ALSEP).

Pourtant, l'équipe a été confrontée à un défi scientifique commun :comment convertir leur travail à partir de tubes à essai dans un laboratoire en un processus plus vaste qui se traduit à l'échelle industrielle. C'est là qu'intervient la fabrication additive.

L'équipe a repensé le processus ALSEP autour d'appareils qui séparent les produits chimiques, appelés contacteurs centrifuges. L'ingénieur d'Argonne Peter Kozak a imprimé plusieurs contacteurs et les a reliés entre eux, transformer un petit (et lent) processus en un processus dans lequel les scientifiques peuvent séparer les actinides des lanthanides sans arrêt.

"Cela comble le fossé entre la séparation des éléments à l'échelle du laboratoire et à l'échelle industrielle, " dit Breshears.

Soulager l'anxiété de séparation

Pour faire cette découverte, Les scientifiques d'Argonne ont commencé avec du combustible nucléaire simulé à partir duquel l'uranium, le plutonium et le neptunium avaient été extraits via un procédé d'extraction par réduction de plutonium et d'uranium modifié (PUREX). L'équipe a ajouté ce mélange liquide contenant de l'américium et du curium dans un côté de la rangée de 20 contacteurs. D'un autre côté, l'équipe a ajouté un mélange de produits chimiques industriels conçus pour séparer les actinides.

En suivant un plan de séparation en 36 étapes, les scientifiques ont retiré 99,9 % des actinides des lanthanides. Ce fut un exploit frappant car les deux ensembles d'éléments partagent une chimie similaire. " Leurs états d'oxydation sont les mêmes, les rendant très difficiles à séparer, " dit Breshears.

Le long du chemin, les scientifiques ont découvert deux avantages supplémentaires à l'utilisation de pièces imprimées en 3D. La première est que les contacteurs offraient des garanties inhérentes contre la prolifération nucléaire. Les tubes qui relient les 20 contacteurs passent à l'intérieur de chaque appareil, rendant plus difficile le détournement du plutonium ou d'autres matières radioactives du procédé.

La seconde est que les pièces imprimées en 3D sont flexibles. "Si une pièce tombait en panne, il serait facile de le réimprimer et de le remplacer. Nous pourrions facilement ajouter ou supprimer des étapes, " a déclaré Kozak.

Bien que cette avancée soit un pas dans la bonne direction, plus de travail doit être fait. "Peut-être trouverons-nous une nouvelle façon de réduire la taille du processus, " dit Breshears. " Plus nous pouvons séparer les actinides, plus nous pouvons réduire l'impact qu'ils ont sur le public et l'environnement."