La taille compte pour accélérer le nettoyage des déchets nucléaires

La technologie de séparation innovante peut avoir de larges utilisations industrielles

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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 Chemical Engineering & Processing: Process Intensification.

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.

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory ont développé une technologie en instance de brevet - applicable dans une variété d'industries - pour séparer les 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. (Vidéo : Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique)

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.

Les chercheurs du PNNL ont inventé une solution ingénieuse mais simple pour trier les particules de différentes tailles à partir de substances en suspension comme les déchets de cuve radiologique ou les fluides de fracturation. Utilisant un filtre imprimé en 3D, ce processus de "séparations mésofluidiques" accélérera l'élimination des grosses particules jusqu'à au moins 90 gallons par minute, ce qui permet un traitement à l'échelle industrielle. Cette conception de filtre en instance de brevet est exceptionnellement rentable. Il peut fonctionner pendant des périodes beaucoup plus longues que les filtres classiques sans issue et les filtres à flux croisés avant l'inévitable colmatage - et il nécessite des pressions de fonctionnement beaucoup plus faibles que les filtres classiques. Les tests du filtre de séparation mésofluidique à grande échelle ont été effectués dans les installations de la boucle d'évaluation du transport multiphase du PNNL au début de 2019. Andrea Starr|Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

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.

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 grand et plus rapide - appelé flux turbulent - il commence à tourbillonner.

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."

Carolyn Burns, avec son collègue Nathan Phillips, a dirigé les tests du dispositif séparateur mésofluidique à différentes échelles. Burns est montré ici devant la configuration à l'échelle de l'ingénierie dans un laboratoire à grande hauteur. (Photo d'Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique)

Dans cette conception, les poteaux créent des flux d'écoulement qui dirigent les grosses particules vers la voie express afin qu'elles puissent être retirées des déchets nucléaires - réduisant considérablement l'érosion des broches et prolongeant la durée de vie des appareils, a déclaré Burns, un ingénieur chimiste qui a mis à l'échelle- les expériences de laboratoire.

"J'ai été étonné que les broches ne se cassent pas et ne s'érodent pas - elles ont résisté au flux et aux matériaux agressifs", a déclaré Burns. "Cette preuve expérimentale a été une avancée majeure dans la fonctionnalité du système."

Le séparateur de particules est disponible pour des opportunités de licence ou de collaboration, a déclaré Sara Hunt, responsable de la commercialisation de PNNL.

Le séparateur a été initialement financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire du PNNL. L'équipe du PNNL comprend Leonard Pease, Carolyn Burns, Nathan Phillips, Jason Serkowski et Michael Minette, ainsi que d'anciens collègues du PNNL Xiao-Ying Yu et Tim Veldman.

Article publié avec l'aimable autorisation du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie.

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