Разделяй и властвуй. Ускорение очистки ядерных отходов.

Сепараторные «шайбы» позволили исследователям использовать пластиковую модель для тестирования своей конструкции на частицах размером 300 микрон и металлическую модель для испытаний на частицах размером 20 микрон. Оба размера применимы для ядерных отходов. Источник. 

В приобретающей всё большую важность борьбе за экологию и соответствующую адаптацию всех сфер нашей деятельности, отходы, как наиболее наглядная проблема, стали первым её фронтом. Мы научились их утилизировать. Не просто сжигать, как раньше – лишь для того, чтобы расчистить от них территорию, – но строить целые мусороперерабатывающие комплексы, расщеплять на составные части, добывать так называемое вторсырьё, неоднократно преобразовывать когда-то уже использованные материалы.

Однако одно из самых слабых звеньев столь желаемой экологичности по-прежнему связано с продуктами нашей деятельности, а именно – с радиоактивными отходами. Нам нужно больше энергии и больше силы. Мы создаём ядерное оружие и топливо для атомных электростанций, но так и не научились продуктивно обращаться с побочными продуктами как самих этих сложных производств, так и с отработанным топливом АЭС. Мы вынуждены хранить их долгие годы, рискуя здоровьем планеты, передавая по наследству грядущим поколениям и затрачивая огромные средства на соблюдение строгих условий хранения.

Однако очистка этих видов отходов всё же возможна, хоть весьма дорого стоит и вообще является довольно продолжительным процессом. Но теперь есть сдвиги и в этой эко-ориентированной нише: исследователи Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) разработали простую технологию разделения частиц, которая позволяет сократить требуемые для очистки затраты и времени, и денег. Особенно приятно то, что внедрение метода для применения в промышленных масштабах не связано с экстраординарными мерами. Более того, технология может иметь широкие промышленные перспективы не только в утилизации столь опасных веществ, но и в пищевой промышленности, передовом производстве, науке об аэрозолях, сверхкритических жидкостях, нефти и газе и переработке мусора.

Разделяй и властвуй.

Очистка ядерных отходов – процесс сложный и многоступенчатый. Для радиоактивных и химических продуктов, хранящихся обычно в недоступных укреплённых подземных резервуарах, в процессе обработки может оказаться полезным разделение необработанных твёрдых и жидких форм по размеру частиц.

Для проверки своего метода учёные создали модель отходов подобного типа. Выбор остановили на водной суспензии гранулированных оксидов. Проведённые тесты показали быстрое и успешное размежевание составных компонентов по фракциям. Примечательно, что технология одинаково хорошо проявила себя в испытаниях на различных масштабах и нескольких отличающихся по консистенции смесях твёрдой и жидкой фаз.

Проводимая на стенде демонстрация работала без засорений более семи часов, обеспечивая 94-процентный поток вещества. Далее установка работала со скоростью примерно 340 литров в минуту, пропуская суспензию через трубу диаметром три дюйма (около 7,5 см). Такой расход для промышленных операций следует считать оптимальным.

«Эта скорость потока 90 галлонов в минуту была необходимой для потенциального промышленного применения, и более высокие скорости потока вполне достижимы», – говорит Леонард Пиз, ведущий изобретатель и инженер-химик в PNNL. 

Учёным удалось в течение года не только разработать концепцию и провести пару лабораторных опытов, но и – довольно быстро для столь амбициозного проекта – перейти к полномасштабной его реализации.

Не просто игрушка.

Само устройство выглядит незатейливо и даже, на первый взгляд, слишком очевидно, чтобы называться научным достижением, однако при кажущейся тривиальности оно столь тонко спроектировано, что заслуживает внимания. Система разделения напоминает серию полых хоккейных шайб, заполненных рядами отдельных стоек. И тут значение принимает один едва заметный нюанс: каждый следующий ряд нисходящих столбиков несколько смещён относительно предыдущего. 

Благодаря этому, во время прохождения через них потока жидкости со скоростью до 340 л/мин, эти стойки создают уникальные течения, которые заставляют более крупные частицы двигаться в нужном направлении. А предварительно созданные в системе «экспресс-полосы» позволили исследователям удалить эти более крупные сегменты растворов. Итоги показали, что новая компоновка стоек стала значительным улучшением для турбулентных потоков. Команда назвала своё изобретение «пачинко» за его сходство с популярной одноимённой японской игрой, в которой нужно задать импульс свободно падающему через преграды шарику таким образом, чтобы он попал точно в лунку.

Что же касается полномасштабной системы, то здесь несколько наборов шайб с разной конструкцией стоек будут направлять частицы на свою собственную экспресс-дорожку, отделяя относительно большие куски (размером с леденец или около сантиметра) от сущих крох, величиной всего в 20 микрон (что примерно соответствует размеру лейкоцита). Пиз отмечает, что, укладывая шайбы друг за другом в виде цепи, «вы получаете экономию за счёт масштаба без добавления более дорогостоящей инфраструктуры». Ещё одним немаловажным плюсом для реального использования такого сепаратора является его независимость от положения в пространстве – он одинаково хорошо работает и в горизонтальном, и в вертикальном размещении. И, кстати, во втором случае также не имеет значения направление потока фильтруемого вещества: хоть сверху вниз, хоть снизу вверх – разработчики уверяют, что результат будет однозначным.

Мозговой штурм

Известно, что крупные частицы довольно легко могут быть выделены из раствора как в состоянии покоя (путём простого их оседания в процессе отстаивания), так и при очень низкой скорости движения этого раствора в отбойной установке. Оба эти метода широко используются как в быту, так и в специализированных сферах. Например, в медицине – в области исследований биоматериалов пациентов. Но и Пиз, и его коллеги Майкл Минетт и Кэролин Бернс знали, что процесс разделения на отбойных массивах ещё не проводился при высоких оборотах.

Небольшой медленный поток, называемый ламинарным, спокоен, устойчив и вполне предсказуем. Однако по мере его увеличения и ускорения, он начинает закручиваться, отчего получается так называемый турбулентный поток, создающий определённые трудности: его довольно непросто контролировать, поскольку он часто непредсказуем. 

Вследствие этого, поначалу, команда предполагала, что им стоит придерживаться всё-таки ламинарного метода, ведь так частицы будут оставаться на правильных дорожках. Проистекая из этих же соображений скорость потока в 3-дюймовой стальной трубе, как раз и используемой обычно для операций с ядерными отходами, ограничивается – как правило – менее чем двадцатью литрами в минуту, что очень далеко от идеала. Так и вышло, что увеличение «оборотов» до турбулентных условий оказалось единственным способом достижения нормального рабочего режима.

Этот первый шаг был довольно простым, и команда посчитала, что лёгкое начало – хороший знак. Однако выяснилось, что, тщательно спроектировав прототип устройства для работы в вертикальной трубе, они зря ожидали, что само проектирование решит проблемы с турбулентным течением. Они оказались не правы.

«Обыкновенный здравый смысл говорит, что система будет работать только при плавном ламинарном потоке, но мы доказали, что она работает также и при турбулентном потоке», – говорит Майкл Минетт.

По его словам, успех в условиях турбулентности привёл команду к концепции динамики следования за потоком: «Мы поняли, что большинство наиболее крупных частиц не отскакивали от столбов, а были увлекаемы течениями, создаваемыми столбами».

Как поясняет, инженер-химик Кэролин Бернс, которая масштабировала лабораторные эксперименты до промышленных условий, в созданной конструкции стойки создают течения внутри общего потока (это чем-то похоже на подводные реки в океане). Они-то и направляют крупные частицы в экспресс-полосу, позволяя их удалить. С другой стороны, это же решение значительно снижает эрозию самих стоек, чем весьма продлевает срок службы целого устройства.

«Меня поразило, что штифты не сломались и не разрушились – они выдержали поток и агрессивные материалы, – признаёт Бернс. – Это экспериментальное доказательство стало большим шагом вперёд в функциональности системы».

АРМК, по материалам PNNL.