Tamanho importa para acelerar a limpeza de lixo nuclear

Tecnologia de separação inovadora pode ter usos industriais amplos

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A limpeza de resíduos radioativos herdados da produção de armas nucleares tem sido um processo assustador, demorado e caro. Agora, pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) projetaram e demonstraram uma tecnologia simples de separação de partículas que pode diminuir o tempo e o dinheiro necessários para a limpeza. A aplicação em escala industrial é descrita em Chemical Engineering & Processing: Process Intensification.

Além do mais, a tecnologia pode ter usos industriais amplos, inclusive no processamento de alimentos, fabricação avançada, ciência de aerossóis, fluidos supercríticos, petróleo e gás e processamento de resíduos ambientais.

Pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory desenvolveram uma tecnologia com patente pendente - aplicável em uma variedade de indústrias - para separar partículas de tamanhos diferentes. Neste vídeo, Michael Minette e Nathan Phillips demonstram como o separador funciona durante o processamento de uma pasta através de um tubo de três polegadas em um laboratório de alto nível. (Vídeo: Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste)

A limpeza do lixo nuclear é complicada. Para os resíduos radioativos e químicos, como os armazenados em tanques subterrâneos no local de Hanford, pode beneficiar o processo de tratamento separar os resíduos brutos sólidos e líquidos por tamanho de partícula.

Nos testes PNNL de resíduos simulados - neste caso, baldes de óxidos granulares misturados com água em uma pasta - a tecnologia de separação recém-desenvolvida separou com rapidez e sucesso as partículas maiores das menores em várias escalas com várias misturas sólido-líquido diferentes.

A demonstração em escala de bancada manteve 94 por cento de fluxo durante sete horas sem interrupção do trabalho devido a entupimento. Além disso, os testes funcionaram a uma taxa de 90 galões por minuto através de um tubo de três polegadas, que é um fluxo ideal para operações industriais.

"Essa taxa de fluxo de 90 galões por minuto era o número necessário para aplicações industriais em potencial, e taxas de fluxo mais rápidas são alcançáveis", disse Leonard Pease, o principal inventor e engenheiro químico do PNNL. Na maioria dos ambientes de pesquisa, disse Pease, você pode projetar o conceito e talvez concluir um ou dois testes em escala de laboratório em um ano. Mas o PNNL tinha as instalações certas e as pessoas certas para que o projeto saltasse rapidamente para a escala total.

Os pesquisadores do PNNL inventaram uma solução ingênua, mas simples, para classificar partículas de tamanhos diferentes de substâncias em suspensão, como resíduos de tanques radiológicos ou fluidos de fracionamento. Usando um filtro impresso em 3D, esse processo de "separações mesofluídicas" acelerará a remoção de partículas grandes em até pelo menos 90 galões por minuto, o que permite o processamento em escala industrial. Este projeto de filtro com patente pendente é excepcionalmente econômico. Ele pode operar por períodos muito mais longos do que os filtros sem saída clássicos e os filtros de fluxo cruzado antes do entupimento inevitável - e requer pressões operacionais muito mais baixas do que os filtros clássicos. O teste de filtro de separações mesofluídicas em escala real foi realizado nas instalações do Loop de Avaliação de Transporte Multifásico do PNNL no início de 2019. Andrea Starr|Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

O sistema de separação inteligentemente projetado se assemelha a uma série de discos de hóquei ocos preenchidos com fileiras de postes individuais. Cada linha de postagens descendentes é ligeiramente deslocada da linha acima. A equipe o apelidou de "pachinko" devido à sua semelhança com o popular jogo usado em carnavais e em programas de televisão.

Com o fluxo de fluido movendo-se a velocidades de até 90 galões por minuto, os postes criam campos de fluxo exclusivos que fazem com que partículas maiores se movam na direção desejada. Os pesquisadores criaram "pistas expressas" dentro do sistema para remover partículas maiores. O novo layout do poste é uma grande melhoria para fluxos turbulentos.

Em um sistema em grande escala, vários conjuntos de pucks com diferentes designs de postes guiarão as partículas para sua própria via expressa, separando pedaços relativamente grandes (cerca de 1 centímetro ou o tamanho de uma bala de limão) até 20 mícrons (aproximadamente o tamanho de uma bala). glóbulo branco). Ao empilhar discos um atrás do outro, "você ganha economias de escala sem adicionar infraestrutura mais cara", disse Pease. O separador funciona tanto no modo horizontal quanto no vertical, incluindo fluxos de cima para baixo e de baixo para cima, acrescentou Pease.