6 Minutės
Įsivaizduokite, kad pavojingą atliekų krūvą, galinčią išgyventi civilizacijas, paverčiate valdomu dalyku per kelis žmonių kartas. Drąsi idėja. Reali pažanga.
Kaip veikia akceleratorių valdomos sistemos
Mokslininkai Thomas Jefferson nacionaliniame akceleratorių centre (Thomas Jefferson National Accelerator Facility), bendradarbiaudami su partneriais, tarp kurių yra RadiaBeam ir Oak Ridge nacionalinė laboratorija (Oak Ridge National Laboratory), kuria akceleratorių valdomas sistemas (ADS), skirtas spręsti atominio kuro likučių problemą. ADS koncepcija remiasi aukštos energijos protonų pluoštu, kuris smogia sunkiam taikiniui — dažnai skystam gyvsidabriui — sukeldamas neutronų kaskadą per procesą, vadinamą spallacija (spallation). Šie neutronai vėliau nukreipiami į kameras, užpildytas naudotu reaktoriaus kuru, kur jie sąveikauja su izotopais.
Rezultatas primena alcheminių transformacijų idėją, bet be mistikos: neutronai reaguoja su ilgaamžiais, radiotoksiškais izotopais ir transformuoja juos į trumpesnio gyvavimo arba stabilias nuklidų formas. Tai nėra paprastas užkasimas po žeme — atliekų radiacijos profilis faktiškai yra perrašomas. Projekto vadovo Rongli Geng teigimu, tradicinis panaudotas branduolinis kuras gali kelti rimtų pavojų maždaug 100 000 metų laikotarpiu. Taikant ADS, tas pavojingas laikotarpis gali susitraukti iki maždaug 300 metų — tai apie 99,7 proc. sumažinimas. Tokia permaina yra revoliucinė atliekų tvarkymo prasme, ir kartu procesas išskiria reikšmingą šilumos kiekį, kurį būtų galima panaudoti be anglies dioksido emisijų elektros gamybai.
Techninė ADS esmė — jėgos derinys tarp dalelių fizikos ir branduolinės inžinerijos. Protonų tekėjai akceleratoriuje yra sinchronizuoti ir formuojami taip, kad jie optimizuotų neutronų gamybą iš taikinių. Spallacijos metu atomo branduolys praranda kelis nukleonus, išskirdamas neutronus, o tas neutronų kiekis ir energijos spektras lemia, kiek efektyviai bus pakeisti pavojingiausi izotopai branduoliniame kure. ADS architektūra taip pat suteikia galimybę valdyti reaktoriaus būseną: jei sustabdoma akceleratoriaus veikla, reaktyvumas praktiškai išnyksta, todėl tokios sistemos įgyja pasyvaus saugumo aspektų, kurie yra svarbūs reguliavimo kontekste.
Techniniai patobulinimai, kurie daro ADS praktiškesnę
Už antraščių slypi sudėtinga inžinerija. Tradicinės superlaidinčios akceleratoriaus ertmės (cavities) reikalauja aušinimo iki labai žemų temperatūrų, o tai reiškia milžinišką šaldymo infrastruktūrą ir žymiai išaugusias sąnaudas. Jefferson laboratorijos tyrėjai eksperimentuoja su niobio ertmėmis, padengtomis alavu (niobis–alavas), kurios gali veikti aukštesnėse temperatūrose išlaikant superlaidumo savybes. Tokia medžiagų kombinacija mažina poreikį didelėms kriogeninėms elektrinėms ir padidina visos sistemos efektyvumą.
Lygiagrečiai specialios komandos optimizuoja ertmių geometriją ir pluošto dinamiką, kad padidintų neutronų išeigą iš spallacijos taikinių. Didinant neutronų skaičių vienam įvestos energijos vienetui, visa sistema tampa ekonomiškesnė — mažesnės eksploatacinės sąnaudos reiškia spartesnį komercializavimo kelią. Pramonės partnerystės — pavyzdžiui, su RadiaBeam dėl pažangių akceleratoriaus komponentų ir su Oak Ridge dėl medžiagų bei kuro tvarkymo kompetencijų — pagreitina perėjimą nuo koncepcijų prie pilotinių demonstracijų ir bandomųjų prietaisų.
Be superlaidumo ir ertmių optimizacijos, svarbūs pažangūs sprendimai apima taikinių medžiagų mokslo sritį: taikiniai turi atlaikyti intensyvų protonų bombardavimą, didžiulį šiluminį krūvį ir žymų izotopų transformacijų greitį. Tai kelia medžiagų atsparumo, termodinamikos ir nuotolinio aptarnavimo iššūkius. Be to, sistemų lygyje svarbu integruoti efektyvias šilumos atleidimo ir šilumos panaudojimo technologijas — tai apima šilumos perdavimo grandines, kaitinimo ir garo gamybos modulius ar tiesiogines šilumos prie elektros konversijos technologijas (pvz., termofotoelektrines ar kombinuotus ciklus), kad išskiriama šiluma taptų naudingos energetikos srityje.
Taip pat vykdomi tyrimai, skirtai pagerinti neutronų spektro formavimo metodus (pvz., moderatorių ar reflektorių naudojimas), kad būtų padidintas norimų transmutacijų efektyvumas ir sumažinta papildoma šviesa ar nepageidaujami izotopai. Technologinė pažanga apima valdymo sistemas, diagnostiką ir automatizuotas nuotolinio valdymo procedūras, leidžiančias saugiai ir efektyviai eksploatuoti aukštos spinduliuotės įrenginius.
Iššūkiai ir realios perspektyvos
Ar ADS gali perkopti iš laboratorijos į elektros tinklą? Ne rytoj. ADS mastelio didinimas, kad būtų galima apdoroti visą komercinį panaudoto atominio kuro kiekį šalyje, reikalauja pažangų patikimumo lygį, reikšmingo sąnaudų sumažinimo ir reglamentavimo kelių naujai reaktorių klasei sukūrimo. Inžineriniai iššūkiai apima patvarių taikinių konstrukcijų sukūrimą, kurios ištvertų intensyvų protonų bombardavimą, nuotolinį surinkinių tvarkymą serijose, turinčiose aukštą radioaktyvumą, ir integruotas sistemas, konvertuojančias atliekų šilumą į naudingą elektros energiją be papildomų anglies dioksido emisijų.
Reguliacinė ir visuomenės priėmimo dalys yra lygiai tokios pat svarbios. Kad ADS būtų diegiamos plačiau, reikia aiškių saugumo standartų, licencijavimo tvarkos ir skaidrumo dėl atliekų valdymo ir galutinio produkto sudėties. Taip pat būtina vieša diskusija apie ekonominį modelį: kas finansuos statybas, kaip bus nustatomos paslaugų kainos, kokios bus atsakomybės už radiacinę apsaugą schemos ir kokius garantinius mechanizmus reikės įdiegti ilgalaikiam eksploatavimui.
Visgi kelias yra nubrėžtas. Pareiškimas, kuriuo siekiama per maždaug 30 metų perdirbti visą JAV komercinį panaudotą kurą, jei komercializacija vyktų sparčiai, rodo ambicingą tikslą. Tokia perspektyva galėtų pakeisti požiūrį į branduolinę energetiką — nebe kaip į ateities našta, bet kaip į perdirbamą, mažo anglies pėdsako energijos šaltinį, kurio šalutiniai produktai gali būti tvarkomi ir sumažinti iki priimtinų trumpo laikotarpio lygių.
Praktiniai žingsniai apima pilotinių vienetų kūrimą, ilgaamžių medžiagų testavimą, nuotolinio tvarkymo procedūrų tobulinimą ir ekonominių modelių sukūrimą, kurie leistų pritraukti privačią kapitalą bei viešą finansavimą. Sėkmingos demonstracijos etapai gali sudaryti pagrindą tarptautiniam bendradarbiavimui, standartų sudarymui ir technologijos eksportui, ypač į regionus, turinčius dideles panaudoto kuro krūtis ir poreikį mažinti atliekų riziką.
Tai drąsus technologinis posūkis. Kol kas tyrėjai tobulina ertmes, didina neutronų išeigą ir vykdo simuliacijas bei eksperimentus, siekdami geriau suprasti procesų ribas ir optimizuoti veikimą. Didysis klausimas lieka: ar ekonomika ir politika judės taip pat greitai kaip fizikos atradimai? Atsakymas priklausys nuo sėkmingų pilotinių demonstracijų, reguliavimo lankstumo ir visuomenės pasitikėjimo naujomis technologijomis.
Be techninių ir politinių aspektų, verta paminėti ir strateginę dimensiją: branduolinių atliekų perdirbimas ADS būdu gali sumažinti ilgalaikio saugojimo poreikį, sumažinti nuolatinės geologinės saugyklos riziką ir suteikti valstybinį pasirinkimą, kaip tvarkyti energetikos palikimą. Tai taip pat atveria galimybę „išardyti“ tam tikrus sunkius izotopus, kurie šiuo metu reikalauja ypač ilgo saugojimo, taip sumažinant riziką ateities kartoms.
Galiausiai, nors technologija nėra momentinis sprendimas, jos potencialas — tiek atliekų rizikos mažinimo, tiek šilumos panaudojimo energijai gaminti srityse — daro ją vertinga tyrimų ir pramonės investicijų kryptimi. Sėkmingai integravus ADS į energijos ir atliekų valdymo sistemas, galima būtų žymiai sumažinti branduolinio kuro ilgalaikį poveikį aplinkai bei visuomenei.
Šaltinis: smarti
Palikite komentarą