Los físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton PPPL del Departamento de Energía de EE. UU. DOE proponen una nueva forma de procesar desechos nucleares que utiliza una centrífuga de plasma. Conocido como filtrado de masa de plasma, las nuevas técnicas de separación de masaSe espera que este enfoque combinado reduzca tanto el costo de la eliminación de desechos nucleares como la cantidad de subproductos producidos durante el proceso. Este trabajo fue apoyado por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorios de PPPL.
"La eliminación segura de desechos nucleares es un problema colosal", dijo Renaud Gueroult, físico de planta de PPPL y autor principal del artículo que apareció en el Revista de materiales peligrosos en octubre. "Una solución podría ser complementar las técnicas de separación química existentes con técnicas de separación de plasma, que podrían ser económicamente atractivas e idealmente conducirían a una reevaluación de cómo se procesan los desechos nucleares".
La motivación inmediata para la eliminación segura son los desechos radiactivos almacenados actualmente en Hanford Site, una instalación en el estado de Washington que produjo plutonio para armas nucleares durante la Guerra Fría. El volumen de estos desechos ascendía originalmente a 54 millones de galones y se almacenó en 177tanques subterráneos.
Maquinaria para encapsular residuos en vidrio
En 2000, los ingenieros de Hanford comenzaron a construir maquinaria que encerraría los desechos radiactivos en vidrio. El método, conocido como "vitrificación", se había utilizado en otra instalación de producción nuclear de la era de la Guerra Fría desde 1996. Una planta de vitrificación multimillonaria esactualmente en construcción en el sitio de Hanford.
Dado que la vitrificación y eliminación en un depósito federal de desechos altamente radiactivos es costosa, existe la ventaja de reducir primero la cantidad de desechos altamente radiactivos que se van a vitrificar, con el objetivo de tener que procesar menos volumen.los desechos luego se incorporarían a la matriz de vidrio.
Este desperdicio vitrificado se deposita en botes que miden aproximadamente 10 pies de largo y dos pies de diámetro. Estos botes se enviarían a un depósito federal donde la radioactividad se disipa durante miles de años. El subproducto de desechos de bajo nivel seríade manera similar, pero menos costosa, inmovilizados en una forma de desechos de vidrio. Estos desechos inmovilizados de bajo nivel se eliminarían en el sitio de Hanford.
Para reducir el costo de la vitrificación y eliminación de desechos de alto nivel, puede ser ventajoso reducir el número de botes de vidrio de alto nivel empaquetando más desechos en cada bote de vidrio. Para reducir el volumen a vitrificar, sería ventajososeparar los desechos no radiactivos, como el aluminio y el hierro, de los desechos, dejando menos desechos para vitrificar. Sin embargo, en su informe de 2014, el Grupo de Trabajo del DOE sobre Desarrollo Tecnológico para la Gestión Ambiental argumentó que, "sin el desarrollo de nueva tecnología, no está claro que la limpieza se pueda completar satisfactoriamente o a un costo razonable ".
separación de masa basada en plasma
Las técnicas de separación de masa de alto rendimiento basadas en plasma avanzadas en PPPL ofrecen la posibilidad de reducir el volumen de desechos que deben inmovilizarse en vidrio. "Lo interesante de nuestras ideas sobre la separación de masas es que es una formadel confinamiento magnético, por lo que encaja bien dentro de la cultura del Laboratorio ", dijo el físico Nat Fisch, coautor del artículo y director del Programa de la Universidad de Princeton en Física del Plasma." Para ser más precisos, es el 'confinamiento magnético diferencial' enque algunas especies están confinadas mientras que otras se pierden rápidamente, que es lo que lo convierte en un filtro de masa de alto rendimiento ".
¿Cómo funcionaría un sistema de filtro de masa basado en plasma? El método comienza atomizando e ionizando los desechos peligrosos e inyectándolos en el filtro giratorio para que los elementos individuales puedan verse influenciados por campos eléctricos y magnéticos. Luego, el filtro separa los elementos más ligerosde los más pesados mediante el uso de fuerzas centrífugas y magnéticas. Los elementos más livianos suelen ser menos radiactivos que los más pesados y, a menudo, no necesitan ser vitrificados. Por lo tanto, el procesamiento de los desechos de alto nivel necesitaría menos botes de vidrio de alto nivel en general, mientras queel material menos radiactivo podría inmovilizarse en una forma de desecho menos costosa por ejemplo, hormigón, betún.
La nueva técnica también se aplicaría más ampliamente que los métodos tradicionales basados en productos químicos, ya que dependería menos de la composición química de los desechos nucleares. Si bien "la composición de los desechos influiría en el rendimiento del filtro de masa de plasma de alguna manera, el efecto seríalo más probable es que sea menor que el asociado con las técnicas químicas ", dijo Gueroult.
Gueroult señala por qué los ahorros mediante técnicas de plasma pueden ser importantes. "Por solo alrededor de $ 10 el kilogramo en costo de energía, los desechos sólidos pueden ionizarse. En su forma ionizada, los desechos pueden luego separarse en componentes pesados y livianos.los desechos se atomizan, la separación se realiza solo sobre la base de la masa atómica, sin tener en cuenta la química. Dado que el costo total de las técnicas químicas puede ser de 2.000 dólares por kilogramo de desechos vitrificados, como se explica en el artículo del Journal of Hazardous Materials,Es lógico pensar que incluso si se necesitan varios pasos basados en plasma para lograr una separación lo suficientemente pura, en principio hay mucho espacio para reducir los costos generales. Ese es el punto de nuestro artículo reciente. También es la razón por la que estamos entusiasmados connuestros métodos basados en plasma ".
Tesis de Abe Fetterman
Fisch señala que "nuestras ideas originales surgieron de la tesis de Abe Fetterman, quien comenzó considerando el confinamiento del espejo centrífugo para la fusión nuclear, pero luego se dio cuenta del potencial de separación masiva. Ahora el papel clave en este proyecto lo está desempeñando Renaud, que ha desarrollado el concepto sustancialmente más ".
Según Fisch, los desarrollos actuales son una variación y refinamiento de un sistema de separación de masa basado en plasma desarrollado por primera vez por una empresa privada llamada Archimedes Technology Group. Esa empresa, iniciada por el difunto Dr. Tihiro Ohkawa, un pionero de la fusión, planteócapital privado para promover un concepto de centrífuga a base de plasma para limpiar los desechos heredados en Hanford, pero dejó de funcionar en 2006 después de no recibir fondos federales.
Ahora, una comprensión actualizada de la complejidad del problema de Hanford, combinada con una mayor apreciación de las nuevas ideas, ha llevado a un renovado interés federal en las soluciones de tratamiento de desechos. Finalización de las principales operaciones de procesamiento de desechos, que en 2002 se proyectaba para 2028, se ha reducido 20 años en los últimos 13 años, y el Departamento de Energía estima ahora que el costo total de limpieza es superior a 250 mil millones de dólares, según la Oficina del Inspector General, Oficina de Auditorías e Inspecciones del DOE. DOE,que tiene la responsabilidad de limpiar los desechos nucleares heredados en Hanford y otros sitios, llevó a cabo un Taller de Necesidades Básicas de Investigación sobre la limpieza de desechos nucleares en julio al que asistieron tanto Fisch como Gueroult. El informe de ese taller, que se espera que destaque nuevos enfoques parael problema de limpieza saldrá este otoño.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de física del plasma de Princeton . Original escrito por Raphael Rosen. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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