Kris Gaines je na misiji neširenja: da olakša većem broju zemalja da eliminišu visoko obogaćeni uranijum, ili HEU, čime se neutrališe inherentna pretnja njegovog potencijala za zlobnu upotrebu. Kao specijalista za nuklearno neproliferaciju i menadžer projekta u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridž Ministarstva energetike, Gaines vodi aspekte važnog projekta dizajniranog da eliminiše istrošeno HEU gorivo iz Kazahstana.
Razvijen u saradnji sa Nacionalnom administracijom za nuklearnu bezbednost (NNSA), Međunarodnom agencijom za atomsku energiju (IAEA), Nacionalnom laboratorijom Ajdaha, ORNL, i Nacionalnim nuklearnim centrom (NNC) Republike Kazahstan—vlasnikom Impuls Graphite Reactor ( IGR) i njegovo gorivo, na kome je projekat usredsređen — ova nova tehnologija je obećavajuće rešenje za zaštitu istrošenog HEU goriva širom sveta.
Za reaktore za gorivo kao što je kazahstanski IGR potreban je HEU, koji je „obogaćen“ da sadrži više ili jednako 90% fisionog izotopa U-235, za razliku od nisko obogaćenog uranijuma ili LEU (jednako ili manje od 20 %). Ovaj snažniji HEU omogućava niz istraživanja vitalnih materijala i naučna istraživanja. Međutim, kada je ovo gorivo upotrebljeno i uklonjeno iz reaktora, poznato je kao „istrošeno“ gorivo, koje ostaje radioaktivno i mora se bezbedno skladištiti ili ponovo preraditi u bezbednije oblike.
Jednom kada se potroši, ili ozrači, sposobnost da se spusti u inače koristan materijal je komplikovana. Da bi odgovorili na ove izazove i smanjili rizike koje predstavlja istrošeno gorivo IGR-a, NNSA, DOE i Ministarstvo energetike Kazahstana su sarađivali kako bi pronašli rešenje za eliminaciju istrošenog HEU goriva u zemlji. Rezultat je jedinstvena nova tehnologija mešanja i cementiranja koja priprema gorivo za bezbedno, dugotrajno skladištenje.
„Zbog vrste goriva, druge tehnologije mešanja nadole kao što je ‘razblaživanje topljenja’ nisu izvodljive opcije jer se grafitno gorivo neće rastopiti,“ rekao je Gejns. „Ovo gorivo će biti prepakovano za serijske operacije i poslato kroz veliku drobilicu/mlinac sve dok se ne melje u veoma fine čestice i pomeša sa prirodnim ili osiromašenim uranijumom da bi se pomešalo od ≥90% do ≤5% obogaćivanja. Gorivo je zatim se prenosi u zatvoreni bubanj na stanici za mešanje i cementaciju, gde će se mešati sa cementom i drugim aditivima pomoću lopatica za mešanje u bubnju da se stvori nepovratan, ravnomerno raspršen niskoaktivni otpad kao bubanj ispunjen betonom.“
Ova tehnologija prve takve vrste pomaže da se dramatično smanje rizici koje predstavlja potrošen HEU, snižavajući nivo njegovog obogaćivanja daleko ispod praga LEU od 20%. Mešanje ozračenog grafitnog goriva uklanja potrebu za merama zaštite IAEA i čini ga praktično nepopravljivim kroz cementiranje.
Iako nova tehnologija još uvek nije trajno uspostavljena, neophodna oprema je proizvedena i instalirana na privremenoj lokaciji u Kazahstanu. Planovi za korišćenje nove tehnologije tamo uključuju nastavak razvoja postrojenja za stalno odredište, tekuće programe obuke operatera i kontinuiranu proizvodnju bubnjeva za mešanje za dalju upotrebu u procesu pre nego što se sistem premesti na predviđeno mesto.
Gejns je podstaknut novim procesom i njegovim potencijalom za upotrebu na drugim vrstama goriva. „Ova tehnologija se već razmatra za gorivo iz drugog kazahstanskog reaktora, IVG.1M. Trenutno radimo sa NNC-om na sprovođenju eksperimenata i za razblaživanje rastopljenog i za oksidaciju ovog goriva. Preliminarni rezultati pokazuju da bi oksidacija mogla biti najbolja opcija, jer bi oksidovani prah tada prolazio kroz isti sistem koji koristimo za IGR gorivo“, rekao je on.
Međutim, pre implementacije i šire upotrebe nove tehnologije, tim je morao da ubedi ključne zainteresovane strane da je njihovo rešenje efikasno, bezbedno i pristupačno. Ideja da se ove prednosti prenesu putem umanjenog, 3D štampanog fizičkog modela postavila je scenu za impresivno partnerstvo u ORNL-u – jedno sa značajnim međunarodnim uticajem.
Na predlog sponzora NNSA, Gaines se udružio sa Amiee Jackson iz ORNL-a, mašinskim inženjerom u laboratoriji Manufacturing Demonstration Faciliti, ili MDF, kako bi isporučio tačan model kazahstanskog NNC-ovog IGR-a, naglašavajući njegovu novu tehnologiju mešanja i cementiranja. Tokom perioda od mesec dana, Džekson je mukotrpno konvertovao IGR-ove originalne inženjerske datoteke u datoteke razmere 1:16. Džekson je tada nadgledao proces štampanja modela.
„Originalni modeli su bili mešavina čvrste i površinske geometrije, sa svim vrstama šupljih delova i mnogo više detalja nego što je bilo potrebno“, rekao je Džekson. „Moj posao je bio da ‘Boolean union’ sve [napravim novi oblik od mnogih drugih, sa stabilnim raskrsnicama koje čuvaju ukupni integritet], da se otarasim svih šupljih područja, osiguram da su debljine zida dovoljno debele da se mogu štampati, a zatim koordiniše štampanje .“
Dobijeni 3D model je prikazan na Međunarodnoj konferenciji o nuklearnoj bezbednosti, ili ICONS, u Beču u maju. Prisutni su istakli da su impresionirani, ne samo preciznošću samog 3D modela, već i vestima o efikasnosti sistema, pristupačnosti i lakoći sklapanja i postavljanja.
„Kako eliminisati ozračeno/potrošeno grafitno gorivo je dugo bio problem. Ova tehnologija daje odgovor na to pitanje i sada se razmatra za eliminisanje drugih vrsta goriva“, rekao je Gejns. „Nudi ranije nedostupno, bezbedno i efikasno rešenje za dugogodišnji problem. Njegova pristupačnost i isplativost su bonus.“
