Ускорители и магнетроны ускорят утилизацию отработавшего ядерного топлива

Агентство передовых исследований в области энергетики (ARPA-E) Минэнерго США выделило 8,17 млн долларов Национальной ускорительной лаборатории имени Томаса Джефферсона на разработку гибридных систем утилизации отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Проект реализуется в рамках программы NEWTON и направлен на сокращение периода радиоактивности отходов с сотен тысяч до трехсот лет за счет использования физики ускорителей, сообщает ZME Science.

Традиционные реакторы оставляют после себя трансурановые элементы, такие как плутоний-239 и америций-241. Обычные установки не способны эффективно выжигать эти изотопы из-за риска потери стабильности цепной реакции. Альтернативой выступает гибридная система, объединяющая подкритический ядерный реактор и мощный ускоритель частиц. В отличие от традиционных энергоблоков, где реакция поддерживает себя сама, подкритической установке требуется внешний источник нейтронов для продолжения работы.

Технология подразумевает обстрел тяжелой мишени, например жидкой ртути, высокоэнергетическими протонами. В результате процесса скалывания высвобождается поток нейтронов, которые сталкиваются с долгоживущими изотопами в составе отработавшего топлива и превращают их в менее стабильные элементы с коротким периодом распада. Руководитель проектов лаборатории Джефферсона Жунгли Гэн отмечает, что нейтроны конвертируют проблемные элементы в управляемые изотопы. Это позволяет сократить срок их изоляции под землей до трех веков. Реакция сопровождается выделением тепла, которое можно направить на выработку электроэнергии, частично превращая проблему хранения отходов в дополнительный энергоресурс.

Концепция применения ускорителей для трансмутации ядерных отходов существует давно, однако ее внедрение сдерживалось дороговизной оборудования. Большинство крупных ускорителей работают на сверхпроводящих резонаторах из ниобия, требующих охлаждения до сверхнизких температур с помощью сложных криогенных установок. Американские исследователи тестируют более рентабельный подход: нанесение тонкого слоя олова на ниобиевые резонаторы. Образование сверхпроводящей поверхности позволяет оборудованию работать при более высоких температурах и применять стандартные промышленные системы охлаждения вместо специализированных криогенных станций.

Совместно с Национальной лабораторией в Ок-Ридже ученые испытают новую геометрию резонаторов спицевого типа для повышения КПД системы. Второй проект в рамках выделенного гранта сфокусирован на источнике питания для ускорителя. Физики планируют использовать магнетроны – устройства, принцип работы которых аналогичен микроволновым печам. Главная техническая трудность заключается в точной синхронизации их мощности с рабочей частотой ускорителя, составляющей 805 мегагерц.

К проекту привлечены промышленные компании Stellant Systems, General Atomics и RadiaBeam. Их участие на ранних этапах должно ускорить вывод технологии за пределы лабораторных испытаний и подготовить ее к коммерческому применению на объектах атомной энергетики.