Один физик утверждает, что его проект по использованию ядерных отходов в качестве топлива для термоядерного синтеза может помочь США стать лидером в области термоядерной энергетики.
автор: Перри Талер
По словам одного учёного, ядерные отходы можно перерабатывать в редкий изотоп, необходимый для ядерного синтеза, который теоретически может производить практически неограниченное количество чистой энергии.
Радиоактивная версия водорода, называемая тритием, в природе встречается редко, её производство обходится дорого, и её можно получить только в ограниченных количествах. На осеннем собрании Американского химического общества (АХО) на этой неделе Теренс Тарновски, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории, предположил, что тритий можно получить из побочного продукта ядерного деления, которое происходит в существующих ядерных реакторах.
Ядерный синтез — это процесс соединения атомов с выделением тепла. Хотя теоретически несколько реакций синтеза могут давать энергию, одна из наиболее распространённых — это синтез трития с дейтерием, другим изотопом водорода, в результате которого образуется гелий. Но на данный момент ядерный синтез невозможен в промышленных масштабах, потому что учёные ещё не придумали, как добиться крупномасштабного зажигания — момента, когда самоподдерживающаяся реакция вырабатывает больше энергии, чем затрачивается. Однако ещё одним серьёзным препятствием является стоимость таких видов топлива, как тритий.
«Ядерный синтез может обеспечить изобилие энергии без вредных выбросов, — сказал Тарновски в интервью Live Science. — Но сейчас тритий доступен в ограниченном количестве и стоит дорого, и это препятствует успеху технологии».
Эффективное производство трития
По словам Тарновски, первое поколение термоядерных реакторов, которые будут использоваться в энергосистеме, скорее всего, будут работать на реакции с участием трития. Хотя другие термоядерные реакции, например слияние дейтерия и гелия-3, теоретически могут использоваться для производства энергии, для их работы требуются гораздо более высокие температуры, поэтому они более дорогие и менее практичные. Однако сбор большого количества трития сопряжён с проблемой: изотоп радиоактивен и имеет очень короткий период полураспада. Запасы трития сокращаются на 5,5 % в год, «поэтому вы не можете положить излишки трития в банк и получить их все через 50 лет, как в случае с другими источниками энергии», — сказал Тарновски.
По словам Тарновски, для успешной работы будущих термоядерных электростанций потребуется новый, более дешёвый способ производства трития. «Нужно, чтобы эта технология уже была внедрена и работала». Современные атомные электростанции используют ядерное деление, при котором атомы расщепляются и высвобождают энергию. Однако деление приводит к образованию значительного количества долгоживущих ядерных отходов. Отработанное ядерное топливо — топливо, которое когда-то использовалось для ядерного деления, но больше не пригодно для использования, — состоит из непригодного для использования урана и плутония, а также продуктов деления, таких как изотопы стронция и йода, на распад которых, по данным Агентства по охране окружающей среды США, могут уйти сотни миллионов лет. Тарновский предлагает получать тритий из огромного количества всё ещё радиоактивных ядерных отходов с помощью ускорителя частиц, расщепляющего атомы в этих отходах. Расщепляющиеся атомы будут проходить через ряд реакций, в результате которых будет образовываться тритий. Этот процесс не избавит нас от ядерных отходов, потому что остатки этого процесса будут такими же опасными, как и исходный материал, но этот побочный продукт можно будет использовать дальше.
Основные принципы конструкции не новы, говорится в заявлении Тарновски от ACS, но благодаря последним технологическим достижениям этот метод получения трития может стать значительно более эффективным. По предварительным расчётам Тарновского, при использовании 1 гигаватта энергии, который стоит как минимум десятки миллионов долларов, эта система могла бы производить 4,4 фунта (2 килограмма) трития в год. Такое количество трития, если использовать его для ядерного синтеза, могло бы обеспечить энергией десятки тысяч домов в США в течение года. Тарновски предполагает, что с помощью этой конструкции можно будет производить в 10 раз больше изотопа, чем с помощью других методов, при том же энергопотреблении.
«Очень масштабный сдвиг парадигмы»
В настоящее время в США нет стабильных, предсказуемых и дешёвых поставок трития, который стоит около 15 миллионов долларов за фунт (33 миллиона долларов за килограмм), говорится в заявлении Тарновски. При этом у нас есть тысячи тонн ядерных отходов, хранение которых обходится дорого и которые потенциально вредны для окружающей среды. «Эта технология возможна уже сегодня, — сказал он в интервью Live Science. — Это будет серьёзный сдвиг парадигмы в отношении использования отработанного ядерного топлива, которое уже есть у правительства». Прежде чем Тарновски сможет составить полное представление о том, как это будет работать, необходимо проработать множество деталей. Но Тарновски рад, что его проект сейчас получает положительные отзывы, учитывая, что ядерные аварии, подобные тем, что произошли на АЭС «Три-Майл-Айленд» и в Чернобыле, всего несколько десятилетий назад сделали ядерную энергетику запретной темой. «Времена изменились», — сказал он Live Science.
фото: По предварительным расчетам, при использовании 1 гигаватта энергии новая конструкция может производить 4,4 фунта (2 килограмма) трития в год. (Изображение предоставлено Юитиро Чино через Getty Images)
