物理学家提出了新的基于等离子体的方法来处理放射性废物

保护一批来自汉福德的混合低级废物,以进行处理和处置能源部美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的物理学家正在提出一种使用基于等离子体的离心机处理核废料的新方法。被称为等离子体质量过滤,新的质量分离技术将补充化学技术。希望这种联合办法将减少核废物处置的费用和在这一过程中产生的副产品的数量。这项工作得到PPPL实验室指导研究与开发计划的支持。

“PPPL的工作人员物理学家Renaud Gueroult说,”核废料的安全处置是一个巨大的问题,“ 10月出现在” 危险材料杂志“的论文的作者。“一个解决方案可能是用等离子体分离技术补充现有的化学分离技术,这在经济上可能具有吸引力,理想地导致对核废料如何处理的重新评估。

安全处置的直接动机是目前储存在汉福德遗址的放射性废物,这是华盛顿州在冷战期间为核武器生产钚的设施。这种废物的数量初为5400万加仑,储存在177个地下储罐中。

机械包装废物在玻璃

2000年,汉福德工程师开始建造将放射性废物封装在玻璃中的机械。这种称为“ 玻璃化 ” 的方法自1996年以来被用于另一个冷战时代的核生产设施。目前正在汉福德建设一个价值数十亿美元的玻璃化厂。

由于在高放射性废物的联邦储存库中的玻璃化和处置是昂贵的,因此首先减少要被玻璃化的高放射性废物的量是有利的,目的是处理较少体积。然后将高放射性废物掺入玻璃基质中。

这种玻璃化的废物沉积在测量大约10英尺长和2英尺直径的罐中。这些罐将被送往联邦储存库,其放射性消耗数千年。低水平的废物副产物将类似地但较不昂贵地固定在玻璃废物形式中。这种固定的低水平废物将在汉福德遗址处理。

为了降低高水平废玻璃化和处理的成本,通过将更多的废物包装到每个玻璃罐中来减少高水平玻璃罐的数量可能是有利的。为了减少待玻璃化的体积,将非放射性废料(如铝和铁)从废料中分离将留下较少的待玻璃化的废料是有利的。然而,在2014年的报告中,DOE环境管理技术开发工作组认为,“如果没有新技术的开发,清理工作可以令人满意地完成或以任何合理的成本完成。

基于等离子体的质量分离技术

PPPL提供的高通量,基于等离子体的质量分离技术提供了减少需要固定在玻璃中的废物体积的可能性。物理学家Nat Fisch,论文的合着者和普林斯顿大学等离子体项目主任说:“我们对质量分离的想法有趣的是,它是一种磁约束的形式,所以它适合在实验室的文化中。物理学。“更准确地说,它是”差分磁约束“,因为一些物种被限制,而另一些物质被快速损失,这使得它成为高吞吐量质量过滤器。

基于等离子体的滤质系统如何工作?该方法开始于雾化和电离危险废物并将其注入旋转过滤器,使得各个元件可受电场和磁场的影响。然后,过滤器通过使用离心力和磁力将较轻的元件与较重的元件分离。较轻的元件通常比较重的元件放射性较低,并且通常不需要玻璃化。因此,高水平废物的处理将总体上需要更少的高水平玻璃罐,而较少放射性的材料可以固定在成本较低的废物(例如,混凝土,沥青)中。

新技术也比传统的基于化学的方法更广泛地应用,因为它将更少地依赖于核废料的化学成分。尽管“废料的组成将以某些方式影响等离子体质量过滤器的性能,但效果将很可能小于与化学技术相关的,“Gueroult说。

Gueroult指出为什么通过等离子体技术的储蓄是重要的。“只有约10美元一公斤的能源成本,固体废物可以电离,在其离子化的形式,废物然后可以分离成重和轻的成分。由于废物被雾化,分离只进行原子质量因为基于化学的技术的总成本可以是每千克玻璃化废料2000美元,如“危险材料杂志”的文章中所解释的,这是有理由的,即使需要几个基于等离子体的步骤为了实现足够的分离,原则上有大量的空间来降低总体成本,这是我们近的文章的要点,这也是为什么我们对基于等离子体的方法感到兴奋的原因。

论文Abe Fetterman

Fisch指出,“我们的原始想法源于Abe Fetterman的论文,他开始考虑离心镜约束用于核聚变,但随后意识到了质量分离的潜力,现在这个项目的关键作用是由Renaud已经大大进一步发展了这个概念。

根据Fisch,当前的发展是基于等离子体的质量分离系统的变化和改进,首先由一家名为Archimedes Technology Group的私人公司提出。该公司由已故的融合先锋博士Tihiro Ohkawa博士开始,提出了私人资本,以推进基于等离子体的离心机概念,以清除汉福德的传统废物,但在2006年因为未能获得联邦资金而停止运作。

现在,对汉福德问题的复杂性进行了更新的理解,再加上对新想法的更多了解,导致了对废物处理解决方案的新的联邦兴趣。主要废物处理业务的完成,在2002年预计为2028年,在过去13年中已经下滑了20年,根据能源部的估计,清理总成本大于2500亿美元,根据美国能源部检察长办公室,审计和检查办公室。美国能源部有责任清理汉福德和其他地方的核废料,于7月份举办了关于核废料清理的基本研究需求研讨会,Fisch和Gueroult都参加了研讨会。该讲习班的报告预期强调清理问题的新办法,

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