Argonne科学家讨论利用3D打印回收核燃料
在寻找解决核废料问题的方法时，科学家发现了如何回收核燃料。核反应堆产生的废物可以通过多种方式回收，包括一种由美国能源部（DOE）阿尔贡国家实验室在1970年代开发的方法。直到最近，核工程师仍可以从反应堆中回收95％的乏核燃料，而只有5％可以作为长期废物存储。但是，阿贡国家实验室的科学家一直在寻找重新利用核废料的方法，去年，他们利用3D打印的灵活性作为一种途径，可循环利用多达97％的核反应堆产生的废燃料。这种新方法可以大大减少存储的用过的燃料量，并减少其保持危险的时间。
正如《科学报告》（Scientific Reports）中一篇文章所详述的那样，阿贡（Argonne）科学家拥有3D打印部件，为回收比以往更多的核废料铺平了道路。共同作者Peter Kozak，Andrew Breshears和Alex Brown报告说，他们的模型源于2013年发现的称为in系元素镧系元素分离工艺（ALSEP）的技术。他们声称，过去，研究人员一直在努力寻找一种方法，将他们的工作从实验室规模转移到更大的工业领域，但是由于合并了增材制造，这种情况已发生了显着变化。
从左到右的氩气科学家：彼得·科扎克（Peter Kozak），安德鲁·布雷西尔斯（Andrew Breshears），马克斯·布朗（M Alex Brown）（来源：阿贡国家实验室）
为了更好地了解这一发现的过程和后果，Argonne的化学工程师Kozak表示，他对核工程的增材制造应用感兴趣。 Kozak是Argonne科学家团队的成员，他们围绕称为离心接触器（一种用于分离化学元素，包括核燃料后处理和医学同位素生产的溶剂萃取设备）的设备重新设计了ALSEP工艺，该工艺可以通过增材制造来复制，从而提供灵活性和可靠性、快速的制造过程。通过印刷接触器并将它们链接在一起，Argonne的工程师实现了连续的ALSEP过程。
在过去的70年中，溶剂萃取一直是将重金属与轻金属以及彼此分离的主要手段。多年的发展和进步已经产生了完成该过程的不同设备，包括混合沉降器和分离塔。离心式接触器可以仅使用单个移动部件就可以混合，分离和泵送溶液，因此，代表了从台式到大规模溶剂萃取过程的最有效设备。” Kozak说道， “想象一下，您决定做一个蛋糕。您可以用一只手打打鸡蛋，搅打糖并将面糊混合。使用旧技术需要进行大量工作。如果可以的话，您可能会使用立式搅拌机。以此类推，您的旧搅拌器和搅拌器是您的手动搅拌器。我们的离心接触器是您的新型，能耗较低的立式搅拌机。”
据中国3D打印 网了解，接触器的几乎每个部分都经过3D打印，除了电机和电气等电气部件。接触器壳体，转子和级间线是通过丙烯酸的立体光刻组件（SLA）制成的。结构部件是从碳纤维增强的聚对苯二甲酸乙二醇酯在基于丝的打印机上印刷的。选择这些材料是因为它们具有耐化学性以及机械强度。“接触器的外壳和转子是通过在Formlabs Form 2打印机上进行立体光刻组装而制成的。结构部件是通过熔丝制造在我们拥有的几种不同机器上制造的。” Kozak说道。
科学家使用了Argonne国家实验室提供的3D打印资源来制造用于台式演示的接触器。对于Kozak而言，增材制造方法可简化制造过程并降低人工和材料成本。此外，逐层组装允许制造具有内部通道作为单个组件的复杂流体装置。利用灵活性，将多个接触器级集成到单个多级模块中，从而减少了安装所需的工作量并消除了潜在的故障点。在此过程中，科学家们发现了使用3D打印部件的另外两个好处。首先是接触器提供了防止核扩散的内在保障措施。连接20个接触器的管子在每个设备的内部运行，这使得从过程中转移material或其他放射性物质变得更加困难。此外，Kozak认为“ 3D打印部件具有灵活性，因此很容易重印和更换。”这也是当今3D打印的一大优势，如果零件出现故障，可以轻松地重新打印和更换。
即使在反应堆中运行了五年之后，据估计，仍然有90％以上的燃料势能得以保留。甚至有一些先进的反应堆设计正在开发中，将来可能会消耗或使用用过的核燃料，而1000兆瓦的电（MWe）核反应堆每年需要约27吨的新鲜燃料。 “随着核燃料裂变衰减并被辐射到反应堆内，一部分裂变材料被转化为其他元素，称为裂变产物。这些裂变产物中的一些会干扰裂变反应，因此，一旦大约95％至97％的燃料经过此过程，就必须更换活塞杆。结果，大多数核废料实际上是可以使用的燃料，只要可以将其分离出来再重新形成燃料棒即可。可以用几种不同的方法对这种可用燃料进行初始回收，但是历史上已经使用称为UREX的溶剂萃取工艺（类似于ALSEP）来完成，并且可以使用离心接触器（包括AM制造的接触器）进行。”
用于开发ALSEP库的多级接触器模块（来源：阿贡国家实验室）
如果科学家发现了回收97％的核废料的方法，那么剩下的3％怎么办？根据Kozak的说法，“不回收3％的主要原因不是由于技术挑战，而是由于这些成分的放射性较低且寿命较短。该材料根本没有足够的价值或危险性，不足以证明其回收成本，而地质储藏库是这3％的可接受替代方案。如果剩下的3％的一部分对行业和供应商具有价值，那么可能会有技术上的推动来提取它们。因此，这不是困难问题，而是通过继续进行流程带来的增值问题。”
尽管此方法仍处于研究的早期阶段，但Kozak和他的同事认为还需要做更多的工作，因此他们计划继续探索减小方法规模并实现更大分离的新方法。实际上，Kozak说：“离心接触器不会在美国的每个核电站中都使用。此外，美国与反应堆相比，核监管委员会（NRC）对乏燃料场址拥有单独的许可和申请流程。因此，核电厂和乏核燃料后处理厂将在非常不同的地方，而离心接触器将仅在以后使用。美国目前发现自己依靠开放的燃料循环，没有对商业乏核燃料进行大规模的后处理。现在，将乏燃料组件从反应堆中取出，然后将其简单地现场存储在散布在美国各地的NRC认可和许可的乏燃料存储桶中。在这种情况下，燃料只会占据美国多个地点的空间。” Kozak说道。
从历史上看，专家们认为核能是一种可靠的能源，其温室气体排放足迹可与风能和太阳能相媲美，并且由于电力需求的增长速度是整体能源使用速度的两倍，世界需要增加能源供应。然而，对其扩大使用的障碍是核裂变的放射性副产物的管理和处置。尽管核能仅占世界电力的10％左右，但产生的废物仍是政府，全社会关注的问题。 Argonne科学家提出的建议使他们更接近重用近100％的废燃料，并将有助于克服朝着更可持续，更环保的方向发展。
中国3D打印 网编译文章！
(责任编辑：admin)
适配多类别高温聚合物FFF
埃肯与Startuplab合作加速
NAMIC 全球增材制造峰会GA
3iD率先引进全新粘结剂喷
Freeform人工智能3D打印工
Biomaterials science:牛
卡内基梅隆研究人
Align Technology
AM Craft在种子轮
Aerojet拿下五角
印度初创公司在Gi
美军使用金属3D打
