Cinquante-six millions de gallons. C’est la quantité de déchets radioactifs laissés sur le site de Hanford à la suite de la mission secrète du gouvernement visant à fournir le plutonium pour les premières armes atomiques du monde et de la guerre froide qui a suivi. Aujourd’hui, le site de Hanford est connu comme l’un des défis environnementaux les plus techniquement complexes au monde.
« La quantité de déchets anciens qui doivent être traités et le coût de cela sont astronomiques. Cela représente une somme d’argent énorme et jusqu’à ce que ce problème soit résolu, nous devrons continuer à surveiller les réservoirs », a déclaré Reid Peterson, ingénieur chimiste. au Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique (PNNL).
Peterson a passé près de trois décennies à travailler sur les problèmes de déchets de réservoirs pour les sites du Bureau de gestion de l’environnement du ministère de l’Énergie (DOE). Il faisait partie d’une réponse nationale visant à empêcher les rots de gaz benzène dans un réservoir à déchets du site de Savannah River d’atteindre les limites d’inflammabilité. Il a contribué au développement de différentes techniques de séparation chimique. Mais parmi ses nombreuses contributions au défi du nettoyage de déchets radioactifs chimiquement complexes, un effort se démarque des autres : la capture du césium 137.
Le césium 137 est principalement d’origine humaine. On le retrouve en grande quantité dans les déchets nucléaires car c’est un sous-produit de la fabrication du plutonium, étape nécessaire à la production d’armes nucléaires. Les scientifiques ont découvert comment stocker en toute sécurité ces déchets radioactifs dans du verre, mais avant que cela puisse se produire, une partie des déchets liquides du réservoir doit être traitée pour éliminer la majeure partie du césium 137.
En effet, le type de rayonnement gamma qu’il émet (une énergie supérieure à celle des rayons X) peut pénétrer à travers le corps humain et même à travers l’acier, ce qui rend trop dangereux pour les travailleurs l’utilisation et l’entretien de la technologie de traitement utilisée pour fabriquer des déchets de verre de faible activité. C’est le défi de Peterson depuis plus d’une décennie. À ce jour, grâce aux recherches menées par le PNNL, le personnel de Hanford a éliminé le césium de plus de 697 000 gallons de déchets de réservoirs, une étape importante dans les progrès du nettoyage à Hanford.
L’évolution de la technologie d’élimination du césium
En 2008, Peterson et d’autres chercheurs du PNNL ont démontré avec succès dans un projet pilote qu’ils pouvaient éliminer le césium à l’aide d’un système installé à côté d’un réservoir de déchets nucléaires. Brancher un système d’évacuation directement sur un seul réservoir s’est avéré être une approche rentable.
La démonstration s’est avérée importante lorsque trois ans plus tard, un tremblement de terre et le tsunami qui en a résulté ont provoqué une fusion nucléaire à la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi au Japon. La technologie d’élimination du césium a dû être accélérée et déployée rapidement en réponse à l’accident.
« Quelques jours après l’événement, je me suis rendu à Washington pour examiner quelle technologie devrait être utilisée », a déclaré Peterson. « Je suis allé plusieurs fois à Fukushima pour examiner leurs technologies d’élimination du césium. Nous passions devant les réacteurs qui avaient explosé et mon dosimètre sonnait lorsque nous passions devant, car il y avait tellement de radiations. »
L’équipe a reçu le prix du secrétaire du DOE en 2011 pour cette réponse.
Les efforts de nettoyage de Fukushima ont servi de catalyseur pour le déploiement de systèmes similaires sur le site de Savannah River et finalement à Hanford. En temps réel, le monde a pu constater l’efficacité de la technologie.
Élimination du césium, cinq gallons par minute
Peterson est le chef de projet qui a fait passer la technologie d’élimination du césium de l’échelle de laboratoire à la démonstration en pleine hauteur, donnant ainsi à l’exploitant du parc de stockage la confiance nécessaire pour poursuivre les opérations à grande échelle. Sur le site de Hanford, on l’appelle le Élimination du césium côté réservoir (TSCR) système.
TSCR prétraite les déchets dans un système construit à l’intérieur d’un conteneur d’expédition, dans lequel des colonnes en acier sont placées à l’intérieur à l’aide d’un chariot élévateur. Les déchets du réservoir traversent un filtre et s’écoulent dans une colonne. À l’intérieur de la colonne se trouve un milieu échangeur d’ions, constitué d’un mélange de silice et de titane comme ingrédients principaux. Le milieu échangeur d’ions ressemble à de petites billes blanches et, bien que petites, elles ont un puissant pouvoir : capturer le césium.
« Ce truc adore le césium », a déclaré Peterson à propos des supports échangeurs d’ions. « Au fur et à mesure que le liquide traverse le filtre et pénètre dans la colonne, le média en absorbe la majeure partie. »
Il s’agit d’un équilibre complexe consistant à obtenir la vitesse d’écoulement du liquide idéale pour que le média ait suffisamment de temps pour absorber le césium.
Peterson et son équipe du PNNL imitent le TSCR à plus petite échelle dans un laboratoire spécial installé sur le site de Hanford, appelé Plateforme de test des déchets radioactifs.
« Avec la plateforme de test des déchets radioactifs, nous sommes sûrs que le TSCR fonctionne comme il est censé le faire car nous disposons de toutes ces données de laboratoire qui correspondent parfaitement aux performances du système », a-t-il déclaré.
Une fois la colonne pleine, le système est mis en pause et la colonne est remplacée par une autre. Le système Hanford TSCR est opérationnel depuis janvier 2022. Il peut fonctionner 24h/24 et 7j/7 à un débit de 5 gallons de déchets prétraités par minute. Mais que deviennent les déchets une fois prétraités ?
La plate-forme de test des déchets radioactifs du Pacific Northwest National Laboratory est une capacité clé pour soutenir les opérations de traitement des déchets de vitrification sur le site de Hanford du ministère de l’Énergie. Cette technologie contribue à réduire les coûts et les risques liés au calendrier de nettoyage en démontrant le traitement de base et les alternatives potentielles. Cela permet aux scientifiques, ingénieurs et responsables d’évaluer la maturation technologique et les stratégies alternatives, ainsi que d’optimiser les opérations de nettoyage. Crédit : Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Du liquide radioactif au verre stable
Le TSCR constitue la première étape d’un objectif plus vaste visant à stabiliser les déchets liquides en verre, en les intégrant littéralement à la structure du verre, à l’aide d’un processus appelé vitrification. Le personnel de Hanford utilisera la technologie de vitrification pour mélanger les déchets prétraités avec des matériaux vitrifiables, les chauffera à plus de 1 150 °C dans un fondoir à haute température et versera le verre fondu dans de grands récipients en acier où il refroidira et se solidifiera pour une élimination à long terme. .
« Avant le démarrage de l’usine Vit de Hanford, 800 000 gallons de déchets de réservoir doivent être prétraités et prêts à fonctionner », a déclaré Peterson.
Le prétraitement est une étape vitale pour deux raisons principales : la sécurité et le coût.
« Nous voulons pouvoir effectuer la maintenance par contact sur l’équipement plutôt que de devoir tout faire à distance », a déclaré Peterson. « Si le césium n’était pas éliminé au préalable, il faudrait un mur de protection en béton de 6 pieds d’épaisseur et l’ensemble du concept de conception devrait changer, ce qui entraînerait également des coûts plus élevés. »
L’usine de Hanford Vit, anciennement appelée usine de traitement et d’immobilisation des déchets, devrait actuellement entrer en service en 2025. Bien que plus de 697 000 gallons constituent une étape majeure, il ne s’agit que d’une petite brèche dans les déchets encore en attente de prétraitement. Un projet de suivi pourrait éventuellement accélérer le processus de prétraitement en portant le TSRC à une échelle beaucoup plus grande.
« J’ai commencé cette carrière il y a 29 ans et je l’ai poursuivi parce que c’est un problème majeur à résoudre », a déclaré Peterson, qui a récemment été honoré pour son dévouement au génie chimique par la division de génie nucléaire de l’AIChE avec le prix Robert E. Wilson.
« Je reçois chaque jour une note indiquant le nombre de gallons traités par TSCR », a-t-il déclaré. « Être en mesure de soutenir quelque chose qui est opérationnel – et qui fonctionne efficacement – donne l’impression que nous faisons des progrès vraiment importants. »