Für die Beschleunigung der Entsorgung nuklearer Abfälle kommt es auf die Größe an

Innovative Trenntechnologien könnten vielfältige industrielle Einsatzmöglichkeiten haben

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Die Beseitigung radioaktiver Abfälle aus der Atomwaffenproduktion war ein entmutigender, langwieriger und teurer Prozess. Jetzt haben Forscher am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) eine einfache Technologie zur Partikeltrennung entwickelt und demonstriert, die den Zeit- und Kostenaufwand für die Reinigung verringern könnte. Die Anwendung im industriellen Maßstab wird in Chemical Engineering & Processing: Process Intensification beschrieben.

Darüber hinaus könnte die Technologie vielfältige industrielle Anwendungen haben, unter anderem in der Lebensmittelverarbeitung, der fortschrittlichen Fertigung, der Aerosolwissenschaft, überkritischen Flüssigkeiten, Öl und Gas sowie der Verarbeitung von Umweltabfällen.

Forscher am Pacific Northwest National Laboratory haben eine zum Patent angemeldete Technologie zur Trennung von Partikeln unterschiedlicher Größe entwickelt, die in einer Vielzahl von Branchen anwendbar ist. In diesem Video demonstrieren Michael Minette und Nathan Phillips, wie der Separator funktioniert, während er in einem Hochregallabor eine Aufschlämmung durch ein 3-Zoll-Rohr verarbeitet. (Video: Pacific Northwest National Laboratory)

Die Entsorgung von Atommüll ist kompliziert. Bei radioaktiven und chemischen Abfällen, wie sie beispielsweise in unterirdischen Tanks am Standort Hanford gelagert werden, kann es für den Behandlungsprozess von Vorteil sein, die rohen festen und flüssigen Abfälle nach Partikelgröße zu trennen.

Bei PNNL-Tests von simuliertem Abfall – in diesem Fall Eimer mit körnigen Oxiden, die mit Wasser zu einer Aufschlämmung gemischt wurden – trennte die neu entwickelte Trenntechnologie schnell und erfolgreich größere Partikel von kleineren in verschiedenen Größenordnungen mit mehreren verschiedenen Fest-Flüssigkeits-Mischungen.

Bei der Demonstration im Labormaßstab blieb der Durchfluss über sieben Stunden bei 94 Prozent, ohne dass es zu Arbeitsunterbrechungen aufgrund von Verstopfungen kam. Darüber hinaus liefen die Tests mit einer Geschwindigkeit von 90 Gallonen pro Minute durch ein 3-Zoll-Rohr, was einem optimalen Durchfluss für Industriebetriebe entspricht.

„Diese Durchflussrate von 90 Gallonen pro Minute war die Menge, die für potenzielle Industrieanwendungen benötigt wurde, und schnellere Durchflussraten sind erreichbar“, sagte Leonard Pease, der leitende Erfinder und Chemieingenieur bei PNNL. In den meisten Forschungsumgebungen, sagte Pease, könne man das Konzept entwerfen und vielleicht ein oder zwei Tests im Labormaßstab in einem Jahr durchführen. Aber PNNL verfügte über die richtigen Einrichtungen und die richtigen Leute, damit das Projekt schnell in vollem Umfang umgesetzt werden konnte.

PNNL-Forscher erfanden eine geniale und dennoch einfache Lösung zum Aussortieren unterschiedlich großer Partikel aus aufgeschlämmten Substanzen wie radiologischem Tankabfall oder Fracking-Flüssigkeiten. Mithilfe eines 3D-gedruckten Filters beschleunigt dieser Prozess der „mesofluidischen Trennung“ die Entfernung großer Partikel auf bis zu 90 Gallonen pro Minute, was eine Verarbeitung im industriellen Maßstab ermöglicht. Dieses zum Patent angemeldete Filterdesign ist außerordentlich kostengünstig. Es kann viel länger betrieben werden als klassische Dead-End-Filter und Cross-Flow-Filter, bevor es unvermeidlich zu Verstopfungen kommt – und es erfordert viel niedrigere Betriebsdrücke als klassische Filter. Die groß angelegten mesofluidischen Trennfiltertests wurden Anfang 2019 in der Multiphase Transport Evaluation Loop-Einrichtung von PNNL durchgeführt. Andrea Starr|Pacific Northwest National Laboratory

Das clever gestaltete Trennsystem ähnelt einer Reihe hohler Hockey-Pucks, die mit Reihen einzelner Pfosten gefüllt sind. Jede Reihe absteigender Pfosten ist leicht von der darüber liegenden Reihe versetzt. Das Team gab ihm den Spitznamen „Pachinko“, weil es dem beliebten Spiel ähnelt, das auf Karnevalen und in Spielshows im Fernsehen verwendet wird.

Da sich der Flüssigkeitsstrom mit Geschwindigkeiten von bis zu 90 Gallonen pro Minute bewegt, erzeugen die Pfosten einzigartige Strömungsfelder, die dazu führen, dass sich größere Partikel in die gewünschte Richtung bewegen. Forscher haben innerhalb des Systems „Expressspuren“ geschaffen, um größere Partikel zu entfernen. Das neuartige Pfostenlayout stellt eine wesentliche Verbesserung für turbulente Strömungen dar.

In einem vollwertigen System leiten mehrere Sätze von Pucks mit unterschiedlichen Pfostendesigns die Partikel zu ihrer eigenen Expressbahn und trennen relativ große Stücke (etwa 1 Zentimeter oder die Größe einer Zitronenbonbons) bis hinunter zu 20 Mikrometern (etwa die Größe eines Zitronenbonbons). Weiße Blut Zelle). Durch das Stapeln von Pucks hintereinander „gewinnen Sie Skaleneffekte, ohne eine kostspieligere Infrastruktur hinzuzufügen“, sagte Pease. Der Separator funktioniert sowohl im horizontalen als auch im vertikalen Modus, einschließlich Strömungen von oben nach unten und von unten nach oben, fügte Pease hinzu.

Inspiriert durch Bump-Arrays im medizinischen Bereich wussten Pease und seine Kollegen Michael Minette und Carolyn Burns, dass große Partikel bei sehr niedrigen Durchflussraten aus Prozessströmen abgetrennt werden können, der Prozess war jedoch noch nicht bei hohen Durchflussraten demonstriert worden.

Ein kleiner, langsamer Strom – laminare Strömung genannt – ist ruhig, gleichmäßig und vorhersehbar. Wenn die Strömung größer und schneller wird – eine sogenannte turbulente Strömung – beginnt sie zu wirbeln.

Sie dachten, sie müssten bei der laminaren Strömung bleiben, um die Partikel in den richtigen Bahnen zu halten. In einem 3-Zoll-Stahlrohr – wie es bei Atommüllanlagen üblich ist – würde dies die Durchflussrate auf unter 5 Gallonen pro Minute beschränken, was nicht ideal ist. Der Betrieb unter turbulenten Bedingungen war die einzige Möglichkeit, die gewünschten Betriebsdurchflussraten zu erreichen.

Daher entwarfen die Teammitglieder ihr erstes Gerät für den Einsatz in einem vertikalen Rohr. Sie erwarteten einen mühsamen Entwurfsprozess zur Überwindung turbulenter Strömungsprobleme. Sie lagen falsch.

„Konventionelle Erkenntnisse besagten, dass das System nur bei glatter, laminarer Strömung funktionieren würde, aber wir haben bewiesen, dass es auch bei turbulenter Strömung funktioniert“, sagte Minette.

Der Erfolg bei turbulenten Strömungsbedingungen führte das Team zum Konzept der Strömungsfolgedynamik, sagte Minette. „Wir stellten fest, dass die meisten größeren Partikel nicht von den Pfosten abprallten, sondern von den von den Pfosten erzeugten Strömungen angetrieben wurden.“

Carolyn Burns leitete zusammen mit ihrem Kollegen Nathan Phillips die Tests der mesofluidischen Separatorgeräte in verschiedenen Maßstäben. Burns ist hier vor dem technisch maßstabsgetreuen Aufbau in einem Hochregallabor zu sehen. (Foto von Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Bei diesem Design erzeugen die Pfosten Strömungsströme, die große Partikel auf die Schnellstraße leiten, damit sie aus dem Atommüll entfernt werden können – was die Erosion der Stifte erheblich reduziert und die Lebensdauer der Geräte verlängert, sagte Burns, ein Chemieingenieur, der skalierte- die Laborexperimente durchführen.

„Ich war erstaunt, dass die Stifte nicht brachen und erodierten – sie hielten der Strömung und den aggressiven Materialien stand“, sagte Burns. „Diese experimentellen Beweise waren ein großer Fortschritt in der Funktionalität des Systems.“

Der Partikelabscheider steht für Lizenzen oder Kooperationsmöglichkeiten zur Verfügung, sagte Sara Hunt, Kommerzialisierungsmanagerin bei PNNL.

Der Separator wurde ursprünglich durch das PNNL Laboratory Directed Research and Development-Programm finanziert. Zum PNNL-Team gehören Leonard Pease, Carolyn Burns, Nathan Phillips, Jason Serkowski und Michael Minette sowie die ehemaligen PNNL-Kollegen Xiao-Ying Yu und Tim Veldman.

Artikel mit freundlicher Genehmigung des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums.

Die Mission des US-Energieministeriums besteht darin, Amerikas Sicherheit und Wohlstand zu gewährleisten, indem es seine energie-, umwelt- und nuklearen Herausforderungen durch transformative wissenschaftliche und technologische Lösungen angeht. Erfahren Sie mehr.

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