阿貢國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家希望通過3D打印來緩解“分離焦慮”，這為回收更多的核材料鋪平了道路。宇航員現(xiàn)在在太空中打印部件來修復(fù)國際空間站，哈佛大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種打印器官組織的方法，這是可能創(chuàng)造3D打印生物器官的重要一步。

這些只是3-D打印或附加制造如何給科學(xué)和技術(shù)帶來革命性變化的兩個(gè)例子。3D打印技術(shù)的進(jìn)步也將改變核工業(yè)，因?yàn)榭茖W(xué)家們可以獲得創(chuàng)造柔性材料、零件和傳感器的好處。

根據(jù)美國能源部(DOE)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家一項(xiàng)新的關(guān)鍵突破，添加劑制造甚至可以幫助我們更有效地回收使用過的核燃料?？梢酝ㄟ^幾種方式回收核反應(yīng)堆的廢物，包括阿貢科學(xué)家在20世紀(jì)70年代開發(fā)的一種方法。有了這些方法，核工程師可以回收反應(yīng)堆中95%的乏核燃料，只剩下5%作為長期廢物儲(chǔ)存。但現(xiàn)在，科學(xué)家們第一次打印出了3D零件，為更多的核廢料回收鋪平了道路，其研究成果發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上。

減少污染，再利用，再循環(huán)

乍一看，再回收2%的核廢料聽起來可能不是很多，但它將極大地減少存儲(chǔ)的廢物數(shù)量和保持危險(xiǎn)的時(shí)間。核化學(xué)家、合著者安德魯·布雷希爾斯(Andrew Breshears)說：與其將百分之五儲(chǔ)存幾十萬年，其余的百分之三需要儲(chǔ)存在最長約一千年的時(shí)間。換言之，此額外步驟可將存儲(chǔ)時(shí)間長度減少近千倍，在第四代快堆中分解核材料將產(chǎn)生額外的電力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家首先必須從鑭系元素或稀土金屬中分離出：高放射性錒系元素同位素Am和Curium，而鑭系元素或稀土金屬在很大程度上沒有放射性。

早在2013年，現(xiàn)在內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校的化學(xué)家Artem V.Gelis和同事創(chuàng)建了一個(gè)藍(lán)圖，回收這額外的2%，稱為錒系元素鑭系元素分離過程(ALSEP)。然而，該團(tuán)隊(duì)面臨著一個(gè)共同的科學(xué)挑戰(zhàn)：如何將研究從實(shí)驗(yàn)室中的試管轉(zhuǎn)化為更大的過程，從而轉(zhuǎn)化為工業(yè)規(guī)模。該小組圍繞分離化學(xué)物質(zhì)的設(shè)備(稱為離心接觸器)重新設(shè)計(jì)了ALSEP過程。工程師Peter Kozak打印了幾個(gè)接觸器并將它們連接在一起。將一個(gè)小(且緩慢)的過程變成了一個(gè)科學(xué)家可以不間斷地從鑭系元素中分離錒系元素的過程，這在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和工業(yè)規(guī)模分離元素之間架起了橋梁。

為了做出這一發(fā)現(xiàn)，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們從模擬核燃料開始，通過改進(jìn)的钚鈾還原提取(Purex)過程從核燃料中提取鈾、钚和氖。研究小組將這種含有Am和Curium的液體混合物添加到一行20個(gè)接觸器的一側(cè)。在另一邊，研究小組加入了一種工業(yè)化學(xué)品的混合物，這些化學(xué)品被設(shè)計(jì)用來分離錒系元素。通過遵循36步的分離藍(lán)圖，科學(xué)家們從鑭系元素中去除了99.9%的錒系元素。這是一個(gè)驚人的壯舉，因?yàn)閮山M元素具有相似的化學(xué)成分。因?yàn)檠趸癄顟B(tài)是相同的，這使得它們很難分離。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了使用3D打印部件的兩個(gè)額外好處。

第一，接觸者提供了防止核擴(kuò)散的固有保障。連接20個(gè)接觸器的管子在每個(gè)裝置內(nèi)運(yùn)行，使得從過程中轉(zhuǎn)移钚或其他放射性物質(zhì)變得更加困難。第二，三維打印部件是靈活的，如果一個(gè)部件確實(shí)出現(xiàn)故障，很容易重新打印和更換，可以很容易地添加或刪除步驟。雖然這一進(jìn)展是朝著正確方向邁出的一步，但還需要做更多的研究。也許會(huì)找到一種新的方法來減少這個(gè)過程的規(guī)模，越能分離錒系元素，就越能減少對公眾和環(huán)境的影響。

博科園｜研究/來自：阿貢國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《科學(xué)報(bào)告》

DOI: 10.1038/s41598-019-48619-x

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