Използваното гориво е едно от най-упоритите предизвикателства пред ядрената енергия. Дълго след като реакторът спре да го използва, материалът остава силно радиоактивен, което изисква тромаво и скъпо съхранение в продължение на десетки хиляди до стотици хиляди години.

Изследователите сега проучват дали съвременните физични инструменти биха могли драстично да съкратят този период, като трансформират някои от най-опасните компоненти на ядрените отпадъци в материали, които се разпадат много по-бързо.

Идеята е да се сдвои ускорител на частици с подкритичен ядрен реактор.

Стандартните ядрени реактори оставят след себе си изотопи като плутоний-239 или америций-241. Това са „трансуранови“ елементи, които остават радиоактивни в продължение на десетки хиляди години. Конвенционалните реактори се затрудняват да ги „изгорят“ ефективно, защото могат да направят верижната реакция нестабилна.

В традиционния реактор е необходима самоподдържаща се верижна реакция (критичност). В система, задвижвана от ускорител, реакторът е подкритичен, което означава, че няма достатъчно гориво, за да поддържа огъня сам. Той се нуждае от външна „искра“, за да остане запален, където се намесва мощният ускорител на частици.

Агенцията за напреднали изследователски проекти – Енергия (ARPA-E) към Министерството на енергетиката на САЩ отпусна 8,17 милиона долара на Националния ускорителен център „Томас Джеферсън“ за ръководене на два проекта, насочени към постигането на точно това. Финансирането идва чрез програмата „Оптимизирана трансмутация на ядрени отпадъци“ (NEWTON), която изследва технологии, които биха могли едновременно да намалят продължителността на живот на ядрените отпадъци и да извлекат допълнителна енергия от тях.

„Въз основа на собствения ни успех в разработването на авангардни ускорителни технологии, които да позволят научни открития, ние вярваме, че можем да направим принос с опита, който сме натрупали през последните няколко десетилетия“, казва Ронли Генг, главен изследовател и по двата проекта, в прессъобщение на лабораторията „Джеферсън“.

Непреработеното отработено ядрено гориво остава опасно за изключително дълги периоди. Докато по-голямата част от топлината и радиоактивността спадат след няколкостотин години, някои компоненти остават опасни до 100 000 години или повече. Според ARPA-E, отделянето и рециклирането на най-проблемните елементи би могло драстично да съкрати този срок до около 300 години. Това все още е дълго, дълго време, но бъдещите ни поколения ще са благодарни.

Системи, задвижвани от ускорители, изстрелват високоенергийни протони в тежка мишена, като например течен живак. Ударът освобождава изблик на неутрони чрез процес, наречен спалация. След това тези неутрони се сблъскват с дългоживеещите изотопи в ядрените отпадъци, трансформирайки ги в различни, по-краткоживеещи материали.

„Тези неутрони ще взаимодействат с тези нежелани изотопи и ще ги превърнат в по-лесно управляеми изотопи, които можете или да изпробвате за някаква полезна употреба, или да заровите под земята“, обяснява Генг. „Вместо да имате живот от 100 000 години в съхранение, например, можете да съкратите годините на съхранение до 300.“

Реакциите също така произвеждат топлина. Тази топлина може потенциално да генерира електричество, превръщайки част от проблема с отпадъците в източник на енергия.

Идеята за използване на ускорители на частици за справяне с ядрените отпадъци съществува от години. Препятствието винаги е било цената: машините са скъпи за изграждане и експлоатация.

Повечето големи ускорители разчитат на свръхпроводящи кухини, изработени от ниобий. Металът работи само при изключително студени условия, което означава, че съоръженията се нуждаят от сложни криогенни инсталации, които добавят големи разходи.

Изследователи от лабораторията Джеферсън тестват по-опростен подход. Чрез покриване на ниобиевите кухини с тънък слой калай, за да се образува свръхпроводяща ниобий-калаена повърхност, устройствата могат да работят при по-високи температури. Тази промяна би могла да позволи използването на стандартно търговско охлаждащо оборудване вместо специализирани системи.

„Те са базирани на зрелия дизайн на кухините на Spallation Neutron Source, но ще добавим новия калаен материал към този съществуващ дизайн“, продължава Генг. „Така че това ще бъде тествано заедно с нашите партньори в Националната лаборатория Оук Ридж.“

Екипът разработва и различна геометрия на кухините, известна като спицова кухина, която би могла допълнително да подобри ефективността.

Втори проект се фокусира върху източника на енергия за ускорителя. Тези системи изискват огромни количества енергия, за да задвижват лъча от частици. Изследователите изследват усъвършенствани магнетрони – същият принцип на работа, използван в микровълновите фурни – за да доставят тази мощност. Предизвикателството е да се съобрази точно тяхната мощност с работната честота на ускорителя от 805 мегахерца.

Снимка: Unsplash

Виж още: Вече можете да изпробвате неиздаваната операционна система Copland на Apple директно в браузъра си