JAV Energetikos departamento nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje „Thomas Jefferson National Accelerator Facility“ („Jefferson Lab“) mokslininkai plėtoja du reikšmingus projektus, skirtus optimizuoti greitintuvais varomas sistemas (ADS, Accelerator-Driven Systems).
Šių iniciatyvų tikslas – pasiekti dvigubą proveržį: iš panaudoto branduolinio kuro pagaminti papildomą, anglies dioksido neišskiriančią elektros energiją ir kartu smarkiai sutrumpinti radioaktyviųjų atliekų pavojingumo trukmę.
Projektams įgyvendinti skirta 8,17 mln. JAV dolerių parama pagal JAV Energetikos departamento programą „NEWTON“ („Nuclear Energy Waste Transmutation Optimized Now“). Tai žymi požiūrio kaitą: panaudotas branduolinis kuras vis dažniau vertinamas ne kaip nuolatinė našta, o kaip perdirbamas energijos išteklius.
Siekdami šių tikslų, tyrėjai kuria ADS technologiją. Ši sistema naudoja dalelių greitintuvą, kuris didelės energijos protonais „šaudo“ į taikinį (pavyzdžiui, skystą gyvsidabrį) ir taip sukelia spaliacijos procesą. Jo metu susidaro intensyvus neutronų srautas, kuris sąveikauja su nepageidaujamais, ilgai išliekančiais izotopais, esančiais branduolinėse atliekose.
Taikant šią technologiją galima efektyviai „sudeginti“ pavojingiausias atliekų sudedamąsias dalis, jas transmutuojant – paverčiant kitomis, gerokai mažiau pavojingomis medžiagomis. Jei neapdorotas panaudotas kuras pavojingas išlieka maždaug 100 000 metų, tai suskaidžius ir perdirbus jį ADS sistemomis šis laikotarpis gali sutrumpėti iki maždaug 300 metų.
Didinamas greitintuvo efektyvumas ekonominiam gyvybingumui užtikrinti
Proceso metu išsiskiria ir didelis šilumos kiekis, kurį galima panaudoti papildomai elektros energijai gaminti ir tiekti į elektros tinklus.
„Vietoj to, kad atliekos būtų saugomos, pavyzdžiui, 100 000 metų, saugojimo laiką galima sutrumpinti iki maždaug 300 metų“, – teigia „Jefferson Lab“ SRF mokslo ir technologijų skyriaus vadovas ir abiejų projektų pagrindinis tyrėjas Rongli Gengas.
Kad ADS sistemos būtų ekonomiškai pagrįstos, „Jefferson Lab“ sprendžia du pagrindinius techninius uždavinius: didina efektyvumą ir galią.
Tradiciniams dalelių greitintuvams reikalingos masyvios ir brangios kriogeninio aušinimo sistemos, leidžiančios pasiekti superlaidumo temperatūras. „Jefferson Lab“ diegia ekonomiškesnę alternatyvą: gryno niobio ertmių vidų dengia alavo sluoksniu.
Tokios niobio ir alavo ertmės gali veikti aukštesnėje temperatūroje, todėl galima naudoti standartinius komercinius aušinimo įrenginius, o ne specialias didelio masto kriogenines sistemas. Be to, komanda kuria vadinamąsias spoke ertmes – sudėtingos konstrukcijos elementus, skirtus dar labiau padidinti neutronų spaliacijos efektyvumą.
Aukštos galios magnetronų diegimas
Antrasis projektas susijęs su spindulio energijos šaltiniu. Tyrėjai pritaiko magnetroną – tą patį komponentą, kuris naudojamas mikrobangų krosnelėse – taip, kad jis galėtų tiekti maždaug 10 megavatų galią, reikalingą ADS sistemoms.
Pagrindinis iššūkis – užtikrinti, kad energijos dažnis tiksliai sutaptų su greitintuvo ertmės dažniu, t. y. 805 megahercais. Bendradarbiaudami su „Stellant Systems“, mokslininkai kuria pažangius magnetronų prototipus, kuriuos sujungus būtų galima pasiekti reikiamas didelės galios ribas, kartu išlaikant maksimalų efektyvumą.
Programos „NEWTON“ tikslas – sudaryti sąlygas per artimiausius 30 metų perdirbti visą Jungtinių Valstijų komercinio panaudoto branduolinio kuro atsargą.
Jau nuo pat pradžių įtraukdama pramonės partnerius – „RadiaBeam“, „General Atomics“ ir „Stellant Systems“ – „Jefferson Lab“ siekia, kad šios technologijos kuo greičiau pereitų iš laboratorijų į pramoninę gamybą.
Šie projektai gali pasiūlyti realų sprendimą ilgai trunkančioms diskusijoms dėl nuolatinių geologinių atliekų saugyklų: vietoj ilgalaikio laidojimo būtų pereinama prie aktyvaus ir naudingo atliekų pernaudojimo.
„Pagrindinis iššūkis – realiai perkelti greitintuvų mokslo pasiekimus iš dabartinio technologinio pasirengimo lygio į tokį, kuris būtinas šiai konkrečiai taikymo sričiai“, – apibendrina R. Gengas.
