Le dimensioni contano per accelerare la pulizia dei rifiuti nucleari

La tecnologia di separazione innovativa può avere ampi usi industriali

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Ripulire i rifiuti radioattivi derivanti dalla produzione di armi nucleari è stato un processo scoraggiante, lungo e costoso. Ora, i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno progettato e dimostrato una semplice tecnologia di separazione delle particelle che potrebbe ridurre il tempo e il denaro necessari per la pulizia. L'applicazione su scala industriale è descritta in Ingegneria chimica e lavorazione: intensificazione dei processi.

Inoltre, la tecnologia potrebbe avere ampi usi industriali, tra cui la lavorazione alimentare, la produzione avanzata, la scienza degli aerosol, i fluidi supercritici, il petrolio e il gas e il trattamento dei rifiuti ambientali.

I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory hanno sviluppato una tecnologia in attesa di brevetto, applicabile in una varietà di settori, per separare particelle di diverse dimensioni. In questo video, Michael Minette e Nathan Phillips dimostrano come funziona il separatore durante il trattamento di un liquame attraverso un tubo da tre pollici in un laboratorio ad alta altezza. (Video: Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale)

La pulizia dei rifiuti nucleari è complicata. Per i rifiuti radioattivi e chimici, come quelli immagazzinati nei serbatoi sotterranei del sito di Hanford, può essere utile il processo di trattamento per separare i rifiuti solidi e liquidi grezzi in base alla dimensione delle particelle.

Nei test PNNL di rifiuti simulati – in questo caso, secchi di ossidi granulari mescolati con acqua in un impasto liquido – la tecnologia di separazione di nuova concezione ha separato rapidamente e con successo le particelle più grandi da quelle più piccole su varie scale con diverse miscele solido-liquido.

La dimostrazione su scala ridotta ha mantenuto un flusso del 94% per sette ore senza interruzioni del lavoro dovute a intasamenti. Inoltre, i test hanno funzionato a una velocità di 90 galloni al minuto attraverso un tubo da tre pollici, che è un flusso ottimale per le operazioni industriali.

"Quella portata di 90 galloni al minuto era il numero necessario per potenziali applicazioni industriali e sono ottenibili portate più veloci", ha affermato Leonard Pease, l'inventore principale e ingegnere chimico presso PNNL. Nella maggior parte dei contesti di ricerca, ha affermato Pease, è possibile progettare il concetto e magari completare uno o due test su scala di laboratorio in un anno. Ma il PNNL disponeva delle strutture e delle persone giuste affinché il progetto passasse rapidamente alla realizzazione su vasta scala.

I ricercatori del PNNL hanno inventato una soluzione ingegnosa, ma semplice, per separare particelle di diverse dimensioni da sostanze liquame come rifiuti di serbatoi radiologici o fluidi di fratturazione. Utilizzando un filtro stampato in 3D, questo processo di “separazioni mesofluidiche” accelererà la rimozione di particelle di grandi dimensioni fino ad almeno 90 galloni al minuto, consentendo l’elaborazione su scala industriale. Il design di questo filtro in attesa di brevetto è eccezionalmente conveniente. Può funzionare per periodi molto più lunghi rispetto ai classici filtri senza uscita e ai filtri a flusso incrociato prima dell'inevitabile intasamento e richiede pressioni di esercizio molto inferiori rispetto ai filtri classici. Il test su scala reale dei filtri di separazione mesofluidica è stato eseguito presso la struttura Multiphase Transport Evaluation Loop del PNNL all'inizio del 2019. Andrea Starr|Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale

Il sistema di separazione progettato in modo intelligente ricorda una serie di dischi da hockey cavi riempiti con file di singoli montanti. Ogni fila di montanti discendenti è leggermente spostata rispetto alla fila sopra. La squadra lo soprannominò "pachinko" per la sua somiglianza con il popolare gioco usato nei carnevali e nei giochi televisivi.

Con il flusso del fluido che si muove a velocità fino a 90 galloni al minuto, i pali creano campi di flusso unici che fanno sì che le particelle più grandi si muovano nella direzione desiderata. I ricercatori hanno creato "corsie rapide" all'interno del sistema per rimuovere le particelle più grandi. Il nuovo layout dei montanti rappresenta un notevole miglioramento per i flussi turbolenti.

In un sistema su vasta scala, più set di dischi con diversi design dei montanti guideranno le particelle verso la propria corsia di scorrimento, separando pezzi relativamente grandi (circa 1 centimetro o la dimensione di una caramella al limone) fino a 20 micron (circa la dimensione di una caramella al limone). globuli bianchi). Impilando i dischi uno dietro l'altro, "si ottengono economie di scala senza aggiungere infrastrutture più costose", ha affermato Pease. Il separatore funziona sia in modalità orizzontale che verticale, compresi i flussi dall'alto verso il basso e dal basso verso l'alto, ha aggiunto Pease.