Os cientistas da Argonne procuram a impressão 3-D para aliviar a ansiedade de separação, que abre caminho para reciclar mais material nuclear.

Os astronautas agora imprimem suas próprias peças no espaço para consertar a Estação Espacial Internacional. Cientistas de Harvard acabam de descobrir uma maneira de imprimir tecidos de órgãos, um passo importante para a possível criação de órgãos biológicos impressos em 3D. Estes são apenas dois exemplos de como a impressão 3D, ou manufatura aditiva, está revolucionando a ciência e a tecnologia.

Os avanços na impressão 3-D também estão prestes a transformar a indústria nuclear, à medida que os cientistas colhem os benefícios da criação de materiais flexíveis, partes e sensores camada por camada. A manufatura aditiva pode até nos ajudar a reciclar o combustível nuclear usado de forma mais eficiente, de acordo com uma nova descoberta fundamental por cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Podemos reciclar resíduos de reatores nucleares de várias maneiras, incluindo um método desenvolvido por cientistas de Argonne na década de 1970. Com essas abordagens, engenheiros nucleares podem reciclar 95 por cento do combustível nuclear usado de um reator, deixando apenas cinco por cento para serem armazenados como resíduos de longo prazo. Mas agora, pela primeira vez, Os cientistas da Argonne imprimiram peças em 3-D que abrem caminho para a reciclagem de ainda mais resíduos nucleares, conforme detalhado em um artigo de 6 de setembro em Relatórios Científicos .

Reduzir, reuso, reciclar

À primeira vista, reciclar outros 2% do lixo nuclear pode não parecer muito. Mas isso reduziria drasticamente a quantidade de resíduos armazenados e o tempo que permanecem perigosos.

"Em vez de armazenar cinco por cento por centenas de milhares de anos, os três por cento restantes precisam ser armazenados por no máximo cerca de mil anos, "disse Andrew Breshears, um químico nuclear de Argonne e co-autor. "Em outras palavras, esta etapa adicional pode reduzir o comprimento de armazenamento quase mil vezes. ”E quebrar esse material nuclear em um reator rápido de quarta geração geraria eletricidade adicional.

Para cumprir esse objetivo, Os cientistas de Argonne primeiro tiveram que separar os isótopos actinídeos altamente radioativos amerício e cúrio dos lantanídeos, ou metais de terras raras, que, em geral, não são radioativos.

Em 2013, químico Artem V. Gelis, agora com a Universidade de Nevada, Las Vegas, e seus colegas de Argonne criaram um projeto para reciclar esses dois por cento extras, denominado Processo de Separação de Actinídeos e Lantanídeos (ALSEP).

Ainda assim, a equipe enfrentou um desafio científico comum:como converter seu trabalho de tubos de ensaio em um laboratório em um processo maior que se traduz em escala industrial. É aí que entra a manufatura aditiva.

A equipe redesenhou o processo ALSEP em torno de dispositivos que separam produtos químicos, chamados contatores centrífugos. O engenheiro da Argonne, Peter Kozak, imprimiu vários contatores e os ligou, transformando um processo pequeno (e lento) em um no qual os cientistas podem separar os actinídeos dos lantanídeos sem parar.

“Isso preenche a lacuna entre a separação dos elementos em escala de laboratório e em escala industrial, "disse Breshears.

Aliviando a ansiedade de separação

Para fazer esta descoberta, Os cientistas da Argonne começaram com um combustível nuclear simulado a partir do qual o urânio, plutônio e neptúnio foram extraídos por meio de um processo modificado de Extração por Redução de Plutônio e Urânio (PUREX). A equipe adicionou esta mistura líquida contendo o amerício e o cúrio em um lado da linha de 20 contatores. Por outro lado, a equipe adicionou uma mistura de produtos químicos industriais que foram projetados para separar os actinídeos.

Seguindo um esquema de separação de 36 etapas, os cientistas removeram 99,9% dos actinídeos dos lantanídeos. Este foi um feito notável porque ambos os conjuntos de elementos compartilham uma química semelhante. "Seus estados de oxidação são os mesmos, tornando-os muito difíceis de separar, "disse Breshears.

Pelo caminho, os cientistas descobriram dois benefícios adicionais no uso de peças impressas em 3D. A primeira é que os contatores ofereceram salvaguardas inerentes contra a proliferação nuclear. Os tubos que conectam os 20 contatores funcionam dentro de cada dispositivo, tornando mais difícil desviar plutônio ou outro material radioativo do processo.

A segunda é que as peças impressas em 3D são flexíveis. "Se uma peça falhou, seria fácil reimprimir e substituí-lo. Podemos facilmente adicionar ou remover etapas, "Disse Kozak.

Embora esse avanço seja um passo na direção certa, mais trabalho precisa ser feito. "Talvez encontremos uma nova maneira de reduzir o tamanho do processo, "disse Breshears." Quanto maior pudermos separar os actinídeos, mais podemos reduzir o impacto que eles têm sobre o público e o meio ambiente. "