Radioaktyvioms branduolinėms atliekoms jau dešimtmečius būdinga viena esminė problema – jų pavojingumas išlieka neįsivaizduojamai ilgai, gerokai ilgiau, nei tęsiasi žmonių civilizacijos istorija. Panaudotas branduolinis kuras reikalauja brangaus ir itin ilgalaikio saugojimo, todėl atliekų tvarkymas iki šiol laikomas viena sudėtingiausių branduolinės energetikos užduočių.
Jungtinių Valstijų mokslininkai teigia, kad egzistuoja būdas šį laikotarpį radikaliai sutrumpinti. Jie kuria technologiją, kuri leistų pavojingas medžiagas paversti gerokai mažiau kenksmingomis ir kartu pagaminti papildomos energijos. Nors tai skamba tarsi mokslinė fantastika, projektas „NEWTON“ gavo 8,17 mln. JAV dolerių finansavimą iš JAV Energetikos departamento.
Kaip dalelių greitintuvai gali mažinti radioaktyvumą?
Pagrindinis siūlomo sprendimo elementas – dalelių greitintuvais valdomos sistemos, vadinamos ADS (angl. Accelerator-Driven Systems). Jų veikimo principas sudėtingas, tačiau esmė – tikslinis branduolinių atliekų „bombardavimas“ dalelių pluoštu.
Supaprastintai tariant, greitintuvas didelės energijos protonų pluoštą nukreipia į specialų taikinį, pavyzdžiui, skystą gyvsidabrį. Ten įvyksta spalacija – branduolinė reakcija, kurios metu išlaisvinamas intensyvus neutronų srautas.
Šie neutronai sąveikauja su panaudotame kure esančiais ilgai gyvuojančiais radionuklidais. Vykstant transmutacijai, pavojingi izotopai virsta tokiais, kurių skilimo pusperiodis gerokai trumpesnis. Teoriškai tai reikštų, kad medžiagos, kurios šiandien kelia grėsmę dešimtims ar net šimtams tūkstančių metų, galėtų tapti santykinai saugesnės maždaug per tris šimtmečius.
„Jefferson Lab“ superlaidumo mokslo ir technologijų skyriaus vadovas Rongli Gengas pabrėžia, kad toks požiūris iš esmės keistų branduolinio saugumo sampratą: vietoj šimtatūkstantmečių horizontų radioaktyvumo mažinimą būtų galima sutrumpinti iki kelių šimtmečių.
Atliekos kaip papildomas energijos šaltinis
Transmutacijos procesas ne tik mažina pavojų, bet ir išskiria didelius šilumos kiekius. Tai nėra bevertis šalutinis produktas – šilumą galima panaudoti elektros energijai gaminti ir tiekti ją į tinklą.
Tokiu atveju radioaktyvios atliekos iš sunkiai sprendžiamos naštos galėtų virsti papildomu, beveik beemisiju elektros energijos šaltiniu. Tai keistų ir branduolinės energetikos ekonominę logiką: šiandien ilgalaikis atliekų saugojimas bei nuolatinė priežiūra sudaro reikšmingą kaštų dalį. Jei atliekos pradėtų generuoti pajamas, finansinis balansas bent teoriškai atrodytų visai kitaip.
Kelias į komerciją: efektyvumas ir galia
Kad ADS sistemos būtų ekonomiškai pagrįstos, mokslininkai turi įveikti du pagrindinius iššūkius – užtikrinti didelį efektyvumą ir pakankamą galią. Darbai vykdomi abiem kryptimis lygiagrečiai.
Viena vertus, kuriamos specialios niobio ir alavo lydinio rezonansinės ertmės, galinčios veikti aukštesnėje temperatūroje. Tai leistų atsisakyti brangių nestandartinių kriogeninių sprendimų ir vietoj jų naudoti įprastus pramoninius šaldymo įrenginius.
Kita vertus, tobulinamas energijos tiekimo šaltinis. Projektui numatyta pritaikyti technologiją, gerai žinomą iš buitinės technikos – magnetronus, naudojamus mikrobangų krosnelėse. Vis dėlto šiame kontekste jie būtų visiškai kitokio masto ir tikslumo: sistema turi patikimai tiekti 10 megavatų galią itin tikslia 805 MHz dažnio banga, idealiai suderinta su greitintuvo ertme.
Pats R. Gengas pripažįsta, kad tikrasis išbandymas prasidės tuomet, kai reikės pereiti nuo laboratorinio prototipo prie technologijos, kuri daugelį metų stabiliai ir patikimai veiktų pramoninėmis sąlygomis.
Ambicingas tikslas: perdirbti JAV kurą per 30 metų
„NEWTON“ programa išsikėlė itin ambicingą uždavinį – per artimiausius tris dešimtmečius sukurti sąlygas perdirbti visą Jungtinėse Valstijose komerciniuose reaktoriuose susidarantį panaudotą branduolinį kurą. Tam neužteks vien patobulinti technologiją – reikės iš esmės sukurti visą pramoninę infrastruktūrą.
Dėl šios priežasties „Jefferson Lab“ nuo pat pradžių dirba kartu su privačiais partneriais – „RadiaBeam“, „General Atomics“ ir „Stellant Systems“. Jų patirtis didinant gamybos mastą ir optimizuojant sudėtingus inžinerinius procesus turėtų padėti greičiau pereiti nuo bandomųjų sistemų prie komercinių įrenginių.
Jei planas pavyktų, Jungtinės Valstijos spręstų problemą, kuri daugelį metų stabdo platesnį branduolinės energetikos priėmimą visuomenėje. Užuot nuolat ginčijusios dėl naujų ilgalaikių atliekynų vietos, institucijos ir sektorius galėtų sutelkti dėmesį į aktyvų ir produktyvų radioaktyviųjų medžiagų valdymą.
Toks scenarijus per numatytą laiką yra milžiniškas iššūkis. Tačiau sėkmės atveju tai galėtų tapti lūžio tašku branduolinės energetikos istorijoje: pavojingos atliekos virstų ištekliumi, o gąsdinantys šimtai tūkstančių metų – kelių šimtmečių horizontu, su kuriuo žmonija gali realiai tvarkytis.
