Соединенные Штаты Америки пересматривают свое отношение к накопленным 90 000 тоннам радиоактивных ядерных отходов, все чаще рассматривая их не как проблему, а как ценный ресурс. Благодаря новым технологиям преобразования отработавшего ядерного топлива, директивам администрации Трампа по ядерному топливному циклу и исследовательской программе Байдена с финансированием в 40 миллионов долларов, страна нацелена на коммерческое использование ядерных отходов в промышленных масштабах, сообщает IEEE Spectrum.
В серии указов президент Дональд Трамп поручил Министерству энергетики США разработать рекомендации по внутренней переработке ядерных отходов и найти возможности для сотрудничества с частным сектором. Ранее, в январе, Агентство перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E) начало распределение 40 миллионов долларов между 11 исследовательскими группами. Эти средства выделены в рамках программы NEWTON (Nuclear Energy Waste Transmutation Optimized Now), запущенной при администрации Байдена. Цель программы — к 2050-м годам сделать экономически выгодной переработку всего запаса ядерного топлива США.
Столь серьезная федеральная поддержка от двух администраций подряд стимулировала физиков и исследователей в области энергетики сосредоточить свои усилия на амбициозной задаче по переработке ядерных отходов. Грег Пифер, генеральный директор термоядерного стартапа Shine Technologies, получившего 4 миллиона долларов от программы NEWTON, заявляет, что это технологически возможно, но потребует значительных инвестиций и серьезной приверженности со стороны государства, чтобы реализовать проект за 30 лет.
Замыкание ядерного топливного цикла предполагает отделение урана и плутония, которые составляют более 95% отходов, и их повторное использование в реакторах в качестве топлива. Бретт Рампал, старший директор по ядерной и энергетической стратегии в исследовательской фирме Veriten, поясняет, что технология для этого существует, но ее коммерческое применение в больших масштабах является дорогостоящим. Он добавляет, что ни одна из существующих технологий не позволяет извлечь уран и плутоний полностью, поэтому небольшое количество материала все равно остается.
Остальные пять процентов ядерных отходов состоят из долгоживущих радиоактивных материалов, которые нельзя использовать повторно. Традиционно их просто оставляли на хранение для естественного распада, который длится сотни тысяч лет. Именно проблему этих пяти процентов пытаются решить ARPA-E и ряд компаний. Многие подходят к задаче с помощью трансмутации — поиска экономически эффективного способа сократить период полураспада радиоактивных отходов до десятков или сотен лет.
Кертис Робертс, вице-президент по коммуникациям в парижской компании Orano, которая планирует сотрудничать с Shine, утверждает, что отработавшее топливо полно полезных компонентов. По его словам, люди начинают смотреть на то, что считалось огромной кучей отходов, и понимать, что если извлечь отдельные части, то многие из них будут иметь ценность.
Компании Orano и Shine планируют извлекать ценность из долгоживущих изотопов, содержащихся в тех самых пяти процентах отходов, которые ранее просто хранились. Компания Shine уже имеет коммерческий опыт разделения изотопов для медицинских целей, например, для лечения рака. Теперь Грег Пифер делает ставку на то, что эту же стратегию можно применить и к ядерным отходам. Он считает бизнес-кейс весьма убедительным, поскольку в стране уже накоплено 90 000 тонн этого материала, и к этому объему ежегодно добавляется около 2 000 тонн от действующих реакторов.
Технология Shine заключается в облучении долгоживущих изотопов в ядерных отходах нейтронами, которые являются побочным продуктом их термоядерного процесса. Это позволяет расщеплять их на более короткоживущие изотопы. Грег Пифер отмечает, что применительно к некоторым рынкам нейтроны могут быть гораздо ценнее, чем энергия от термоядерного синтеза. Компания будет отделять ценные изотопы, такие как стронций-90, применяемый в качестве топлива в морской и аэрокосмической технике, а остальные трансмутировать с помощью нейтронов. Чтобы снизить риски, связанные с остаточной радиоактивностью, изотопы будут содержаться в расплаве солей. Этот подход может сократить объем отходов до долей процента от общего количества. В случае успеха Shine планирует продавать извлеченные уран и плутоний партнерам, которые смогут производить из них топливные стержни для ядерных реакторов. Цель Пифера — запустить пилотную установку в 2030-х годах.
Поскольку нейтроны играют ключевую роль в трансмутации, ARPA-E также инвестирует в способы их получения. В январе агентство выделило 2,6 миллиона долларов Ок-Риджской национальной лаборатории и 10,2 миллиона долларов Аргоннской национальной лаборатории на разработку ускорителей частиц для генерации нейтронов.
Еще один получатель гранта по программе NEWTON, компания Omega-P R&D, созданная на базе Йельского университета, стремится доказать, что компактный ускоритель частиц может эффективно работать в лабораторных условиях для создания нейтронов. Их технология, названная dCARA, основана на циклической структуре, которая разгоняет ионы по спиральным траекториям для создания высокоэнергетических пучков нейтронов. По сравнению с обычными ускорителями, версия dCARA более эффективна и значительно меньше — десятки метров в длину вместо сотен. Физики Джей Хиршфилд и Юн Цзян из Omega-P сообщают, что, хотя каждая установка генерирует меньше нейтронов, их строительство обходится дешевле.
Джей Хиршфилд поясняет, что меньший размер их установок позволяет размещать их на региональном уровне, например, вблизи действующих реакторов, и достигать в национальном масштабе той же степени трансмутации, что и одна большая установка. По его мнению, такая стратегия снижает риски для всего процесса, поскольку проблемы с одним ускорителем не поставят под угрозу всю цепочку поставок, как это могло бы случиться в случае с единственным крупным ускорителем.
В США способность отделять уран и плутоний от использованного ядерного топлива была разработана еще в 1940-х годах в рамках Манхэттенского проекта. Однако во время холодной войны переработка ядерных отходов застопорилась и так и не вышла на коммерческий уровень. В 1977 году президент Джимми Картер запретил переработку отработавшего топлива в качестве меры по борьбе с распространением ядерного оружия, поскольку извлеченный плутоний можно обогащать для его создания. Когда при президенте Рональде Рейгане переработку снова разрешили, технология оказалась слишком дорогой для коммерческого применения. Сегодня ситуация изменилась.
Майский указ Трампа призывает к переоценке практик переработки отработавшего топлива и вызвал в целом положительную реакцию в зарождающейся отрасли. Указ дает Министерству энергетики восемь месяцев на подготовку доклада о рекомендуемых политических шагах по управлению ядерными отходами и созданию устойчивого долгосрочного топливного цикла. В документе также содержится призыв рассмотреть возможность создания государственного, но управляемого частным сектором предприятия по переработке ядерного топлива.
В мире лишь несколько стран обладают возможностями для переработки ядерного топлива, включая Францию, Россию, Китай, Японию и Великобританию. Эти предприятия занимаются как коммерческими, так и оборонными ядерными отходами, нацеливаясь на материалы, которые можно разделить на изотопы урана и плутония. Хотя в таких странах, как Франция, Япония и Россия, ведутся разработки по извлечению из отходов и других изотопов, эти усилия еще не были коммерциализированы в промышленных масштабах. В настоящее время отходы, остающиеся после переработки, остекловывают и заключают в контейнеры из нержавеющей стали для хранения на протяжении тысяч лет.