Ядерні відходи більше не потрібно захоронювати

Способів переробки ядерних відходів фізикам відомо немало. Та і слово „відходи” вони не люблять. Адже що є відходом для одного типу реактора, може послужити прекрасним паливом для другого. Люди давно мріють замкнути цикл так, щоб „остаточними відходами” стали матеріали, які не вимагають поховання на десять тисяч років. Інше питання — як краще усе це реалізувати? На нього тепер з’явилася нова відповідь.

В процесі роботи АЕС утворюються трансуранові відходи, що складаються з довгоживучих радіоактивних елементів. Це щонайперший головний біль борців за захист природи, що негативно відносяться до ядерної енергетики. Адже в іншому — повна краса: немає викидів парникових газів і іншої „гидоти”. Про небезпеку аварії треба говорити окремо (є цікаві проекти). Але ось відпрацьоване паливо…

Жодне з рішень, як грамотно поступати з відходами роботи ядерних реакторів (а наймасовіші — це легководні, на теплових нейтронах), не є ідеальним. Любити природу — складно. І що ще гірше — дорого.

Бажаєте викинути? Будуйте надійні сховища, розраховані не на віки, — на тисячоліття. На зразок того, що намічається звести в США під горою Юка. Там не просто мережа тунелів — колосальний набір автоматики, стіни з титану і інше в такому дусі. А вже в які багатошарові „матрьошки” з надстійких сплавів пропонується упаковувати опромінене паливо, так приємно-дорого подивитися. До речі, дорого — не21 те слово. Ціна питання — десятки мільярдів доларів. І це тільки на спорудження споруди.

Що ще? Багато років учені працюють над перетворенням реакторів на швидких нейтронах в спалювачі відпрацьованого палива з реакторів звичайних. У цій стратегії багато плюсів: загальна кількість небезпечних радіоактивних відходів, що підлягають все ж похованню, різко знижується, а повнота використання природного урану — підвищується радикально.

Такі реактори (різного калібру і призначення) існують не одне десятиліття, хоча їх мало, порівняно з реакторами на теплових нейтронах. Є і нові проекти такого типу (у Росії, зокрема, цьому напрямку приділяється дуже велика увага). Але як і раніше каменем спотикання є не фізика, і навіть не інженерне втілення ідей учених (його слід визнати складнішим, ніж у звичайного реактора), а бухгалтерія.

Про екзотику на зразок відправки відходів в космос або занурення їх під земну кору зараз, тим більше, говорити рано. Ще варіанти?

На думку групи учених, очолюваної Майком Котсченрейтером з університету Техасу (University of Texas at Austin), кращим рішенням буде підкритична гібридна установка синтезу-розпаду.

Двома словами влаштована вона так. У центрі — джерело нейтронів, що працює на реакції синтезу, — Compact Fusion Neutron Source (CFNS). „Ковдра” навкруги CFNS — це ядерний реактор, в який як паливо поміщаються трансуранові відходи класичних легководяних АЕС.

Відмінність CFNS від інших реакторів синтезу, що створених або розробляються, — дуже малі розміри, що поєднуються, проте, з високою потужністю (100 МВт) і, відповідно, дуже щільним потоком нейтронів. За типом що утримує плазму системи ця установка відноситься до токамаків, як і безліч експериментальних пристроїв в різних країнах, як і флагманський міжнародний реактор ITER, який повинні побудувати у Франції (запуск намічений на 2016 рік).

Але в деталях повно відмінностей. Зокрема, у техасців придумана оригінальна конфігурація магнітних котушок.

Маленький відступ. Для живлення реакцій ядерного синтезу можна застосовувати різне пальне: дейтерій плюс тритій, дейтерій плюс гелій-3, дейтерій плюс дейтерій і так далі. Перший варіант найпростіше здійснити. Вимоги до температури, часу утримання і щільності плазми тут найнижчі. Зате є і недолік — сильна нейтронна радіація, небезпечна для людей сама по собі, та що до того ж призводить до потужної наведеної радіоактивності в конструкціях реактора.

Тому фізики мріють про установки майбутнього, в яких використовуватимуться дейтерій і гелій-3 (його величезні запаси є, приміром, на місяці). Але до таких установок треба ще добратися. Тому навіть гігант ITER використовуватиме все ту ж пару дейтерій-тритій.22

А ось Майк і його колеги підходять до проблеми нейтронів з іншого боку. „Хто нам заважає, той нам і допоможе”! — вигукують вони. І пояснюють, що перед CFNS не стоятиме завдання вироблення дешевої енергії. Цей реактор потрібний усій установці лише в ролі постачальника найсильнішого потоку нейтронів, які бомбардуватимуть відпрацьоване ядерне паливо і тим самим прискорювати в ньому процес трансмутації (перетворення елементів).

В результаті довгоживучі радіоактивні відходи, заховані в зовнішній „ковдрі” гібридного реактора, перетворяться в безпечніші елементи.

Ключем до створення токамака CFNS, а значить, і усього комплексу для трансмутації (Fusion-Fission Transmutation System — FFTS) являється дивертор — деталь, що сприймає потік часток і випромінювання, що витікають від плазмового шнура, який висить в центрі магнітної пастки.

Фахівці університету Техасу розробили власний його варіант, названий Super X. По здатності переварювати без руйнування сильні потоки енергії від серцевини реактора синтезу він перевершує аналоги уп’ятеро. І саме це робить можливою побудову FFTS: надзвичайно мініатюрної установки, яка одна здатна впоратися з відпрацьованим паливом від 10-15 легководяних реакторів звичайних АЕС, повідомляють дослідники в прес-релізі університету.

Поєднання класичних реакторів з гібридними FFTS, підрахували американські фахівці, дозволить розв’язати проблему відпрацьованого ядерного палива не за століття (як у випадку з розвитком індустрії переробних реакторів на швидких нейтронах), а за десятиліття. При цьому такий комплекс зможе знищувати 99% трансуранових відходів АЕС.

3На довершення до такої світлої перспективи, як запевняють автори системи у своїй статті в журналі Fusion Engineering and Design, комплекс FFTS з CFNS як серце виявиться одночасно і дешевше, і ефективніше за інші установки для трансмутації, що розробляються нині у рамках ряду проектів.

При цьому Котсченрейтер і його колеги розглядають FFTS як проміжний етап переходу людства від ядерної до термоядерної енергетики, доповнюваної альтернативної (сонце, вітер, хвилі).

А доки немає промислових реакторів синтезу, здатних дати струм споживачам, залишаючись конкурентоздатними за ціною, слід отримати максимум дивідендів з традиційних АЕС. Дивідендів у вигляді екологічно чистої (у плані забруднення атмосфери) енергії. А тепер ще — і майже безвідходної.

Тут потрібно відмітити, що сама ідея з’єднання в одному пристрої термоядерного і ядерного реакторів, щоб перетворювати в нім відпрацьоване паливо з АЕС, — далеко не нова. Але техасці, як вони вважають, першими показали шлях до спорудження такого гібрида-рятівника, який був би здійснимий з точки зору як інженерії, так і економіки.

Дивертором Super X вже зацікавилися три наукові групи в США і Британії, що працюють над своїми проектами токамаків. І якщо знайдуться засоби на продовження досліджень Котсченрейтера, наступними кроками учених повинні стати розширене чисельне моделювання, інженерний проект і спорудження прототипу FFTS.

Leave a Reply