El tamaño importa para acelerar la limpieza de desechos nucleares

La tecnología de separación innovadora puede tener amplios usos industriales

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Limpiar los desechos radiactivos heredados de la producción de armas nucleares ha sido un proceso desalentador, largo y costoso. Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han diseñado y demostrado una tecnología simple de separación de partículas que puede reducir el tiempo y el dinero necesarios para la limpieza. La aplicación a escala industrial se describe en Ingeniería química y procesamiento: intensificación de procesos.

Además, la tecnología puede tener amplios usos industriales, incluido el procesamiento de alimentos, la fabricación avanzada, la ciencia de los aerosoles, los fluidos supercríticos, el petróleo y el gas y el procesamiento de desechos ambientales.

Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han desarrollado una tecnología pendiente de patente, aplicable en una variedad de industrias, para separar partículas de diferentes tamaños. En este video, Michael Minette y Nathan Phillips demuestran cómo funciona el separador mientras procesa una suspensión a través de una tubería de tres pulgadas en un laboratorio de gran altura. (Video: Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

La limpieza de desechos nucleares es complicada. En el caso de los desechos radiactivos y químicos, como los almacenados en tanques subterráneos en el sitio de Hanford, el proceso de tratamiento puede beneficiarse de separar los desechos sólidos y líquidos sin procesar por tamaño de partícula.

En las pruebas de PNNL de residuos simulados, en este caso, cubos de óxidos granulares mezclados con agua en una suspensión, la tecnología de separación recientemente desarrollada separó rápida y exitosamente las partículas más grandes de las más pequeñas a varias escalas con varias mezclas sólidas y líquidas diferentes.

La demostración a escala de banco mantuvo un flujo del 94 por ciento durante siete horas sin interrupción del trabajo por obstrucción. Además, las pruebas trabajaron a una tasa de 90 galones por minuto a través de una tubería de tres pulgadas, que es un flujo óptimo para operaciones industriales.

"Esa tasa de flujo de 90 galones por minuto era la cantidad necesaria para aplicaciones industriales potenciales, y se pueden lograr tasas de flujo más rápidas", dijo Leonard Pease, el inventor principal e ingeniero químico de PNNL. En la mayoría de los entornos de investigación, dijo Pease, puede diseñar el concepto y tal vez completar una o dos pruebas a escala de laboratorio en un año. Pero PNNL tenía las instalaciones adecuadas y las personas adecuadas para que el proyecto saltara rápidamente a escala completa.

Los investigadores del PNNL inventaron una solución ingeniosa, pero simple, para separar partículas de diferentes tamaños de sustancias en suspensión, como desechos de tanques radiológicos o fluidos de fracturación. Utilizando un filtro impreso en 3D, este proceso de "separaciones mesofluídicas" acelerará la eliminación de partículas grandes hasta al menos 90 galones por minuto, lo que permite un procesamiento a escala industrial. Este diseño de filtro pendiente de patente es excepcionalmente rentable. Puede funcionar durante períodos mucho más largos que los filtros sin salida clásicos y los filtros de flujo cruzado antes del inevitable taponamiento, y requiere presiones de funcionamiento mucho más bajas que los filtros clásicos. La prueba del filtro de separaciones mesofluídicas a gran escala se realizó en las instalaciones del Bucle de Evaluación de Transporte Multifásico de PNNL a principios de 2019. Andrea Starr|Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

El sistema de separación ingeniosamente diseñado se asemeja a una serie de discos de hockey huecos llenos de filas de postes individuales. Cada fila de publicaciones descendentes está ligeramente desplazada de la fila de arriba. El equipo lo apodó "pachinko" debido a su parecido con el popular juego que se usa en los carnavales y en los programas de televisión.

Con la corriente de fluido moviéndose a velocidades de hasta 90 galones por minuto, los postes crean campos de flujo únicos que hacen que las partículas más grandes se muevan en la dirección deseada. Los investigadores han creado "carriles rápidos" dentro del sistema para eliminar partículas más grandes. El novedoso diseño de los postes es una gran mejora para los flujos turbulentos.

En un sistema a gran escala, múltiples conjuntos de discos con diferentes diseños de postes guiarán las partículas a su propio carril rápido, separando piezas relativamente grandes (alrededor de 1 centímetro o el tamaño de un caramelo de cabeza de limón) hasta 20 micrones (aproximadamente el tamaño de un caramelo). leucocito). Al apilar discos uno detrás de otro, "se obtienen economías de escala sin agregar una infraestructura más costosa", dijo Pease. El separador funciona tanto en modo horizontal como vertical, incluidos los flujos de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba, agregó Pease.

Inspirados por las matrices de impacto utilizadas en el campo de la medicina, Pease y sus colegas Michael Minette y Carolyn Burns sabían que las partículas grandes podían separarse de las corrientes de proceso a velocidades de flujo muy bajas, pero el proceso aún no se había demostrado a velocidades de flujo altas.

Una corriente pequeña y lenta, llamada flujo laminar, es tranquila, constante y predecible. A medida que el flujo se vuelve más grande y más rápido, llamado flujo turbulento, comienza a girar.

Pensaron que tendrían que ceñirse al flujo laminar para mantener las partículas en los carriles correctos. En una tubería de acero de 3 pulgadas, común para las operaciones de desechos nucleares, eso restringiría el caudal a menos de cinco galones por minuto, lo cual no es lo ideal. Correr en condiciones turbulentas era la única forma de lograr los caudales operativos deseados.

Entonces, los miembros del equipo diseñaron su dispositivo inicial para trabajar en una tubería vertical. Esperaban un arduo proceso de diseño para superar los problemas de flujo turbulento. Ellos estaban equivocados.

"La sabiduría convencional decía que el sistema funcionaría solo en un flujo laminar suave, pero demostramos que también funciona en un flujo turbulento", dijo Minette.

El éxito en condiciones de flujo turbulento llevó al equipo al concepto de dinámica de seguimiento de flujo, dijo Minette. "Nos dimos cuenta de que la mayoría de las partículas más grandes no rebotaban en los postes, sino que eran impulsadas por las corrientes de flujo creadas por los postes".

Carolyn Burns, junto con su colega Nathan Phillips, dirigieron las pruebas del dispositivo separador mesofluídico a diferentes escalas. Burns se muestra aquí frente a la configuración a escala de ingeniería en un laboratorio de gran altura. (Foto de Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

En este diseño, los postes crean corrientes de flujo que dirigen partículas grandes al carril rápido para que puedan eliminarse de los desechos nucleares, lo que reduce en gran medida la erosión de los pines y prolonga la vida útil de los dispositivos, dijo Burns, un ingeniero químico que escaló- hasta los experimentos de laboratorio.

"Me sorprendió que los pasadores no se rompieran ni se erosionaran; aguantaron el flujo y los materiales agresivos", dijo Burns. "Esta evidencia experimental fue un gran avance en la funcionalidad del sistema".

El separador de partículas está disponible para oportunidades de licencia o colaboración, dijo Sara Hunt, gerente de comercialización de PNNL.

El separador fue inicialmente financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio PNNL. El equipo de PNNL incluye a Leonard Pease, Carolyn Burns, Nathan Phillips, Jason Serkowski y Michael Minette, con los ex colegas de PNNL Xiao-Ying Yu y Tim Veldman.

Artículo cortesía del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía.

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