La taille compte pour accélérer le nettoyage des déchets nucléaires

La taille compte pour accélérer le nettoyage des déchets nucléaires

Les “palettes” de séparation produites dans le laboratoire de prototypage rapide du Pacific Northwest National Laboratory ont permis aux chercheurs d’utiliser un modèle en plastique pour tester leur conception sur des particules de 300 microns et un modèle en métal pour des tests sur des particules de 20 microns. Les deux tailles sont réalistes pour les applications de déchets nucléaires. Crédit : Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

Le nettoyage des déchets radioactifs hérités de la production d’armes nucléaires a été un processus intimidant, long et coûteux.

Aujourd’hui, des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont conçu et démontré une technologie simple de séparation des particules qui peut réduire le temps et l’argent nécessaires au nettoyage. L’application à l’échelle industrielle est décrite dans Génie chimique et transformation — Intensification des procédés.

De plus, la technologie peut avoir de nombreuses utilisations industrielles, notamment dans la transformation des aliments, la fabrication de pointe, la science des aérosols, les fluides supercritiques, le pétrole et le gaz et le traitement des déchets environnementaux.

Si la particule correspond

Le nettoyage des déchets nucléaires est compliqué. Pour les déchets radioactifs et chimiques, tels que ceux stockés dans des réservoirs souterrains sur le site de Hanford, il peut être avantageux pour le processus de traitement de séparer les déchets bruts solides et liquides selon la taille des particules.

Dans les tests PNNL de déchets simulés – dans ce cas, des seaux d’oxydes granulaires mélangés à de l’eau dans une boue – la technologie de séparation nouvellement développée a rapidement et avec succès séparé les plus grosses particules des plus petites à différentes échelles avec plusieurs mélanges solides-liquides différents.

La démonstration à l’échelle du banc a maintenu un débit de 94 % pendant sept heures sans arrêt de travail dû au colmatage. De plus, les tests ont fonctionné à un débit de 90 gallons par minute à travers un tuyau de trois pouces, ce qui est un débit optimal pour les opérations industrielles.

“Ce débit de 90 gallons par minute était le nombre nécessaire pour les applications potentielles de l’industrie, et des débits plus rapides sont réalisables”, a déclaré Leonard Pease, inventeur principal et ingénieur chimiste au PNNL. Dans la plupart des contextes de recherche, a déclaré Pease, vous pouvez concevoir le concept et peut-être effectuer un ou deux tests en laboratoire en un an. Mais PNNL avait les bonnes installations et les bonnes personnes pour que le projet passe rapidement à grande échelle.

La taille compte pour accélérer le nettoyage des déchets nucléaires

Michael Minette montre des particules de 300 microns et plus séparées d’un mélange de suspension à l’aide du séparateur mésofluidique du Pacific Northwest National Laboratory. Ces résultats sont issus d’essais sur simulant au Laboratoire d’évaluation des transports multiphasiques du PNNL. Crédit : Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

Pachinko de particules

Le système de séparation intelligemment conçu ressemble à une série de rondelles de hockey creuses remplies de rangées de poteaux individuels. Chaque rangée de poteaux descendants est légèrement décalée par rapport à la rangée du dessus. L’équipe l’a surnommé “pachinko” en raison de sa ressemblance avec le jeu populaire utilisé lors des carnavals et des jeux télévisés.

Avec le flux de fluide se déplaçant à des vitesses allant jusqu’à 90 gallons par minute, les poteaux créent des champs d’écoulement uniques qui entraînent le déplacement de particules plus grosses dans la direction souhaitée. Les chercheurs ont créé des “voies express” dans le système pour éliminer les particules plus grosses. La nouvelle disposition des poteaux est une amélioration majeure pour les écoulements turbulents.

Dans un système à grande échelle, plusieurs ensembles de rondelles avec différentes conceptions de poteaux guideront les particules vers leur propre voie express, séparant des morceaux relativement gros (environ 1 centimètre ou la taille d’un bonbon citronné) jusqu’à 20 microns (environ la taille d’un globule blanc). En empilant les rondelles les unes derrière les autres, “vous réalisez des économies d’échelle sans ajouter d’infrastructures plus coûteuses”, a déclaré Pease. Le séparateur fonctionne à la fois en mode horizontal et vertical, y compris les flux descendants et ascendants, a ajouté Pease.

Bosses de remue-méninges

Inspirés par les réseaux de bosses utilisés dans le domaine médical, Pease et ses collègues Michael Minette et Carolyn Burns savaient que les grosses particules pouvaient être séparées des flux de traitement à des débits très faibles, mais le processus n’avait pas encore été démontré à des débits élevés.

Un petit courant lent, appelé flux laminaire, est calme, régulier et prévisible. Au fur et à mesure que le flux devient plus important et plus rapide, appelé flux turbulent, il commence à tourbillonner.






Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory ont développé une technologie en instance de brevet, applicable dans une variété d’industries, pour séparer des particules de différentes tailles. Dans cette vidéo, Michael Minette et Nathan Phillips démontrent le fonctionnement du séparateur lors du traitement d’une boue à travers un tuyau de trois pouces dans un laboratoire à grande hauteur. Crédit : Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

Ils pensaient qu’ils devraient s’en tenir au flux laminaire pour maintenir les particules dans les bonnes voies. Dans un tuyau en acier de 3 pouces – courant pour les opérations de gestion des déchets nucléaires – cela limiterait le débit à moins de cinq gallons par minute, ce qui n’est pas idéal. Le fonctionnement dans des conditions turbulentes était le seul moyen d’atteindre les débits opérationnels souhaités.

Ainsi, les membres de l’équipe ont conçu leur appareil initial pour qu’il fonctionne dans un tuyau vertical. Ils s’attendaient à un processus de conception ardu pour surmonter les problèmes d’écoulement turbulent. Ils avaient tord.

“La sagesse conventionnelle disait que le système ne fonctionnerait que sur un flux laminaire régulier, mais nous avons prouvé qu’il fonctionne également sur un flux turbulent”, a déclaré Minette.

Le succès dans des conditions d’écoulement turbulent a conduit l’équipe au concept de dynamique de suivi d’écoulement, a déclaré Minette. “Nous avons réalisé que la plupart des particules plus grosses ne rebondissaient pas sur les poteaux, mais étaient entraînées par des courants d’écoulement créés par les poteaux.”

Dans cette conception, les poteaux créent des flux d’écoulement qui dirigent les grosses particules vers la voie express afin qu’elles puissent être éliminées, ce qui réduit considérablement l’érosion des broches et prolonge la durée de vie des appareils, a déclaré Burns, un ingénieur chimiste qui a intensifié les expériences en laboratoire. .

“J’ai été étonné que les broches ne se cassent pas et ne s’érodent pas – elles résistent au flux et aux matériaux agressifs”, a déclaré Burns. “Cette preuve expérimentale a été une avancée majeure dans la fonctionnalité du système.”


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Plus d’information:
Leonard F. Pease et al, Séparation de particules mésofluidiques à l’échelle industrielle, Génie chimique et transformation — Intensification des procédés (2022). DOI : 10.1016/j.cep.2022.108795

Fourni par le laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

Citation: La taille compte pour accélérer le nettoyage des déchets nucléaires (12 mai 2022) récupéré le 12 mai 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-05-size-nuclear-cleanup.html

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