راه حل هایی برای یک مشکل پیچیده شیمیایی

نویسنده جسنیا هرناندز

Newswise – پنجاه و شش میلیون گالن. این مقدار زباله های رادیواکتیو از مخازن باقی مانده در سایت هانفورد در نتیجه ماموریت مخفی دولت برای تامین پلوتونیوم برای اولین سلاح اتمی جهان و جنگ سرد متعاقب آن است. امروزه سایت هانفورد به عنوان یکی از پیچیده ترین چالش های زیست محیطی از لحاظ فنی در جهان شناخته می شود.

“میزان زباله های قدیمی که باید پردازش شوند و هزینه انجام این کار نجومی است. این مبلغ هنگفتی است و تا زمانی که این مشکل حل نشود، باید به نظارت بر مخازن ادامه دهیم.» رید پترسونمهندس شیمی در آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام (PNNL).

پترسون نزدیک به سه دهه را صرف کار روی مسائل مربوط به ضایعات مخازن برای سایت های دفتر مدیریت محیط زیست وزارت انرژی (DOE) کرده است. این بخشی از یک واکنش ملی برای کنترل شعله های گاز بنزن در مخزن باطله رودخانه ساوانا از رسیدن به حد مجاز اشتعال بود. او به توسعه تکنیک های مختلف جداسازی شیمیایی کمک کرد. اما در میان کمک های فراوان او به چالش پاکسازی چنین زباله های رادیواکتیو پیچیده شیمیایی، یک تلاش بالاتر از بقیه است: گرفتن سزیم-137.

سزیم 137 بیشتر ساخته دست بشر است. این ماده در مقادیر زیادی در زباله های هسته ای یافت می شود زیرا محصول جانبی تولید پلوتونیوم است که گامی ضروری در تولید سلاح های هسته ای است. دانشمندان کشف کرده‌اند که چگونه می‌توان این ضایعات رادیواکتیو را در شیشه ذخیره کرد، اما قبل از اینکه این اتفاق بیفتد، برخی از زباله‌های مایع مخزن باید پردازش شوند تا بیشتر سزیم-137 حذف شود. دلیل آن این است که نوع پرتوهای گامایی که ساطع می‌کند – انرژی بالاتر از اشعه ایکس – می‌تواند به بدن انسان و حتی فولاد نفوذ کند و کار کردن و حفظ فناوری پردازش مورد استفاده برای تولید شیشه‌های زباله سطح پایین را برای کارگران بسیار خطرناک می‌کند. این چالش پیترسون برای بیش از یک دهه بوده است. و تا به امروز، با حمایت تحقیقاتی از PNNL، مقامات Hanford سزیم را از بیش از 697000 گالن زباله مخزن حذف کرده اند – نقطه عطف مهمی در پیشرفت پاکسازی هانفورد.

توسعه فناوری حذف سزیم

در سال 2008، پترسون و سایر محققان PNNL در یک پروژه آزمایشی با موفقیت نشان دادند که می توانند سزیم را با استفاده از سیستمی که در کنار مخزن زباله هسته ای قرار دارد حذف کنند. ثابت شده است که یک سیستم حذف مستقیماً در یک مخزن یک رویکرد مقرون به صرفه است.

این تظاهرات زمانی اهمیت پیدا کرد که سه سال بعد، یک زلزله و سونامی متعاقب آن حادثه هسته‌ای را در نیروگاه هسته‌ای فوکوشیما دایچی ژاپن ایجاد کرد. فن آوری حذف سزیوم باید در پاسخ به حادثه تسریع و به سرعت به کار گرفته می شد.

پیترسون گفت: «در چند روز پس از این رویداد، من به دی سی رفتم تا بررسی کنم که چه فناوری باید مورد استفاده قرار گیرد. من چندین بار به فوکوشیما رفتم تا فناوری حذف سزیم آنها را بررسی کنم. ما از کنار راکتورهای منفجر شده گذشتیم و دزیمتر من وقتی در حال رانندگی بودیم فریاد زد زیرا تشعشعات زیادی وجود داشت.

تیم یک دریافت کرد جایزه دبیر DOE در سال 2011 برای این پاسخ.

تلاش پاکسازی فوکوشیما به عنوان یک کاتالیزور برای استقرار سیستم های مشابه در سایت رودخانه ساوانا و در نهایت در هانفورد عمل کرد. در زمان واقعی، جهان شاهد اثربخشی این فناوری بود.

حذف سزیم، پنج گالن در دقیقه

پترسون رهبر پروژه ای است که فناوری حذف سزیم را از مقیاس نیمکتی به نمایشی در مقیاس کامل تبدیل کرد. اپراتور مزرعه تانک اعتماد به نفس برای ادامه عملیات در مقیاس کامل. در سایت هانفورد، این چیزی است که به آن می گویند حذف سزیوم سمت مخزن (TSCR) سیستم.

TSCR ضایعات را در یک سیستم ساخته شده در داخل یک کانتینر حمل و نقل که در آن ستون های فولادی در داخل آن با لیفتراک قرار می گیرند، از قبل تصفیه می کند. زباله های مخزن از فیلتر عبور می کند و به یک ستون می ریزد. در داخل ستون یک محیط تبادل یونی متشکل از مخلوطی از سیلیس و تیتانیوم به عنوان مواد اصلی وجود دارد. محیط تبادل یونی شبیه مرواریدهای سفید کوچک است و اگرچه کوچک است، اما قدرت بسیار زیادی دارد – سزیم را به دام می‌اندازد.

پیترسون در مورد محیط تبادل یونی گفت: «این ماده سزیم را دوست دارد. همانطور که مایع از فیلتر عبور می کند و به ستون می رود، محیط بیشتر آن را جذب می کند.

این یک تعادل پیچیده برای دستیابی به سرعت جریان مایع صحیح است به طوری که محیط زمان کافی برای جذب سزیم را داشته باشد.

پترسون و تیمش در PNNL TSCR را در مقیاس کوچکتر در یک مجموعه آزمایشگاهی ویژه در سایت Hanford به نام پلت فرم آزمایش زباله رادیواکتیو تقلید می کنند.

او گفت: “با پلت فرم آزمایش زباله های رادیواکتیو، ما مطمئناً می دانیم که TSCR همانطور که باید کار می کند، زیرا ما همه این داده های آزمایشگاهی را داریم که کاملاً با عملکرد سیستم مطابقت دارد.”

پس از پر شدن ستون، سیستم متوقف می شود و ستون با ستون دیگری جایگزین می شود. سیستم Hanford TSCR از ژانویه 2022 کار می کند. این می تواند 24 ساعت شبانه روز و 7 روز هفته با سرعت جریان 5 گالن زباله از پیش تصفیه شده در دقیقه کار کند. اما پس از تصفیه اولیه پسماند چه اتفاقی می افتد؟

از مایع رادیواکتیو گرفته تا شیشه پایدار

TSCR اولین گام در هدف بزرگتر تثبیت زباله های مایع به شیشه است – به معنای واقعی کلمه بخشی از ساختار شیشه ای – با استفاده از فرآیندی به نام انجماد. کارکنان Hanford از فناوری انجماد برای مخلوط کردن زباله های از پیش تصفیه شده با مواد تشکیل دهنده شیشه استفاده می کنند، آنها را تا دمای بیش از 1150 درجه سانتیگراد در یک کارخانه ذوب با دمای بالا گرم می کنند و شیشه مذاب را در ظروف فولادی بزرگ می ریزند که در آنجا سرد و سخت می شود تا درازمدت دفع شود.

پیترسون گفت: «پیش از اینکه کارخانه هانفورد «ویت پلنت» شروع به کار کند، باید 800000 گالن زباله مخزن از پیش تصفیه شده و آماده بهره برداری شود.

پیش تصفیه به دو دلیل اصلی یک مرحله حیاتی است: ایمنی و هزینه.

پیترسون گفت: «ما می‌خواهیم بتوانیم به جای اینکه همه کارها را از راه دور انجام دهیم، تعمیرات تماسی را روی تجهیزات انجام دهیم. بدون برداشتن سزیم ابتدا، شما باید یک دیوار بتنی به ضخامت 6 فوت داشته باشید و کل مفهوم طراحی باید تغییر کند، که همچنین منجر به هزینه‌های بالاتر می‌شود.

گیاه Hanford Vit که به طور رسمی نامگذاری شده است کارخانه تصفیه و بیحرکتی زبالهدر حال حاضر برنامه ریزی شده است تا در سال 2025 شروع به کار کند. در حالی که بیش از 697000 گالن نقطه عطف مهمی است، اما تنها یک فرورفتگی کوچک در زباله است که هنوز در انتظار پیش تصفیه است. یک پروژه پیگیری به طور بالقوه می تواند فرآیند پیش پردازش را با رساندن TSRC به مقیاس بزرگتر سرعت بخشد.

پترسون که اخیراً به خاطر این وقف به مهندسی شیمی توسط بخش مهندسی هسته‌ای AICHE مفتخر شده است، گفت: “من این حرفه را 29 سال پیش شروع کردم و به آن ادامه دادم زیرا مشکل بزرگی برای حل آن است.” جایزه رابرت ای ویلسون.

او گفت: “هر روز یادداشتی دریافت می کنم که TSCR چند گالن را پردازش کرده است.” “برای اینکه بتوانیم چیزی را که در حال اجرا است حفظ کنیم – و به طور موثر اجرا شود – احساس می کنیم که پیشرفت بسیار مهمی داریم.”

###

درباره PNNL

آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام از نقاط قوت متمایز خود استفاده می کند علم شیمی، علوم زمین، زیست شناسی و علم داده برای پیشبرد دانش علمی و رفع چالش ها در انرژی پایدار و امنیت ملی. PNNL که در سال 1965 تأسیس شد، توسط Battelle برای دفتر علوم وزارت انرژی، که بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است، اداره می شود. دفتر علوم DOE برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/science. برای اطلاعات بیشتر در مورد PNNL، مراجعه کنید مرکز خبری PNNL. ما را در توییتر، فیس بوک، لینکدین و اینستاگرام.