Centrifuginė radiochemija: vertės iš panaudoto kuro

Išvaizduokite sandėlį švytinčių, uždarytų cilindrų; inventorių toks vertingas, kad, jei jis būtų visiškai atgautas, galėtų pakeisti tiek rinkas, tiek medicinos tiekimo grandines. Dešimtmečius Jungtinės Valstijos traktavo šį turtą kaip problemą, kurią reikia slėpti, o ne kaip išteklių, kurį verta išnaudoti. Šis požiūris keičiasi.

Šalies komercinių reaktorių palikimas ir nuo 1970-ųjų sustabdytos perdirbimo politikos paliko maždaug 94 000 tonų aukšto lygio radioaktyvių atliekų saugioje talpykloje. Dabartiniai planai numato izoliaciją laikui, matuojamam dešimtims tūkstančių metų. Tačiau panaudotas reaktoriaus kuras nėra nefunkcionalios atliekos. Tai chemiškai sudėtingas mišinys, kuriame didelę dalį sudaro dar naudojamas uranas ir plutonis, be to yra izotopų, vertinamų medicinoje, pramonėje ir pažangių technologijų srityje.

Stroncis-90, rodis-103, įvairūs paladžio izotopai ir americis-241 yra šiame mišinyje. Nepriklausomų vertinimų duomenimis, atkuriami izotopai JAV atsargose sudaro apie 22 mlrd. eurų vertės, o likęs uranas ir plutonis turi trilijonų eurų dydžio vertę. Šios sumos keičia skaičiavimus: tik saugojimas nebeatrodo vienintelė atsakinga galimybė.

Kas sulėtina dabartinį perdirbimą

Tradicinis cheminis perdirbimas, reprezentuojamas PUREX metodu, tirpintą panaudotą kurą apdoroja skystais tirpikliais aukštose kolonomis. Sunkio jėga ir pusiausvyra atlieka pagrindinį darbą, leidžiančioms vandens ir organinėms fazėms atskirti elementus pagal skirtingą cheminį afinitetą. Metodas veikia. Jis išbandytas ir patikimas. Tačiau jis taip pat yra lėtas, vartojantis daug tirpiklių ir jautrus radiolitiniam skilimui veikiant nuolatinei radioaktyvumui. Pilni atskyrimai gali užtrukti valandas. Trumpalaikiai izotopai, vertingi medicinai, dažnai prarandami dėl delsos. Taip pat labai koncentruotos plutonio srovės gali kelti platinimo ir tvarkymo problemas.

Šios techninės trintys padeda paaiškinti politinį sprendimą prieš kelis dešimtmečius riboti perdirbimą. Ilgų cheminių atskyrimų kaina, poreikis didelėms gamykloms ir sudėtingumas saugiai tvarkyti tiek atliekas, tiek koncentruotus skilimo produktus paskatino daugelį politikų teikti pirmenybę ilgalaikiam saugojimui.

Kaip centrifuginė radiochemija pakeičia situaciją

Atsiranda REDUCE, JAV Energetikos departamento remiama iniciatyva; trumpinys reiškia „Atgauti medžiagas, sunaikinti nepageidaujamas medžiagas ir kurti energiją“. REDUCE jungia du tikslus: pagreitinti atskyrimus ir sumažinti ilgalaikį pavojingų aktinidų kiekį, leidžiant efektyviau perdirbti ir taikyti tikslinę transmutaciją.

Pagrindą REDUCE sudaro sistema pavadinimu PaCERS, tai reiškia pakuotę centrifuginės įrangos radiocheminiams atskyrimams. Vietoje priklausymo nuo sunkio jėgos, PaCERS sukasi tirpintą kurą esant pagreitėjimui, viršijančiam tūkstantį g. Tai lemia dramatišką reikalingų tirpiklio tūrų sumažėjimą ir didžiulį fazių atskyrimo greičio padidėjimą. Tai, kas tradicinėse kolonose trunka valandas, kaskadoje aukšto greičio rotorių gali būti atlikta per sekundes.

Greičiau atliekami atskyrimai suteikia kelias papildomas naudas. Gamyklos gali būti mažesnės, sumažinant kapitalines išlaidas ir užimamą plotą. Trumpalaikiai izotopai gali būti užfiksuoti prieš sunykstant, gerinant medžiagų, naudojamų vėžio terapijoje ir diagnostikoje, prieinamumą. Be to, centrifugų architektūra gali būti reguliuojama taip, kad nebūtų gaminamos pernelyg koncentruotos plutonio srovės, taip mažinant kai kurias saugumo problemas.

PaCERS vystomas partnerystėje, kurioje dalyvauja pramonės įmonė Shine Technology, Argonne nacionalinė laboratorija ir Case Western Reserve universitetas. Tikslas nėra vien teorinis demonstravimas, bet pereiti nuo laboratorinių eksperimentų prie pilotinių operacijų, kurios galėtų integruotis į esamą kuro saugojimo ir tvarkymo infrastruktūrą.

Nuo atgaivinimo iki sumažinimo

Urano ir plutonio atgavimas yra svarbus, tačiau REDUCE komanda turi platesnį tikslą: sumažinti pačias atliekas. Elementai, netinkami komerciniam pakartotiniam naudojimui, gali būti paversti per neutronų bombardavimą specialiai atliekų transmutacijai skirtuose reaktoriuose arba būsimuose greituose reaktoriuose į trumpiau besiskleidžiančias rūšis. Iš esmės ilgai išliekančių radiotoksinių elementų atsargos būtų transformuotos į formas, kurios suyra per dešimtmečius, o ne per tūkstantmečius.

Toks dviejų žingsnių modelis – greitai atgauti vertingus izotopus, o likusius atkaklius aktinidus nukreipti į tikslinį deginimą – siūlo dinamiškesnį branduolinių medžiagų gyvavimo ciklą. Tai galėtų sumažinti geologinės izoliacijos reikalavimus ir pakeisti visuomenės požiūrį į ilgalaikį branduolinių palikimų tvarkymą.

Kaip sakė Ross Radel, technologijų vadovas kompanijoje Shine Technology: "Panaudotas reaktoriaus kuras yra neįprastas išteklius. Jame yra vertingų medžiagų, kurias jau atskiriame medicininiams tikslams. PaCERS taiko tą patirtį, kad pagreitintų chemiją, atgautų svarbiausius komponentus ir palengvintų likusių atliekų tvarkymą."

Praktiniai ir politikos iššūkiai

Techninis potencialas neištrina realių apribojimų. Aukšto greičio radiocheminės centrifugos turi veikti patikimai labai radioaktyvioje aplinkoje. Medžiagų mokslo sprendimai, rotorų balansavimas, sandarinimas ir apsauga nuo spinduliuotės reikalauja kruopštaus inžinerinio sprendimo. Normatyvai, reglamentuojantys transportą, apdirbimą ir neplatinimą, nulems, kurie izotopai gali būti atskiriami ir kaip turi būti licencijuojamos patalpos.

Viešasis priėmimas yra dar vienas veiksnys. Bendruomenėms prie saugojimo vietų idėja atgauti vertingas medžiagas gali būti priimtina, jei tai sumažina ilgalaikę riziką, tačiau susirūpinimas dėl apdirbimo avarijų, naujų transportavimo maršrutų ir pilotinių įrenginių vietovių reikalauja skaidraus ir pagrįsto dialogo.

Ekspertų įžvalga

"Šis požiūris jungia seną chemiją su nauja inžinerija", sakė dr. Priya Anand, branduolinių medžiagų specialistė, konsultavusi kelias nacionalines laboratorijas. "Centrifuginis atskyrimas nėra stebuklinga lazdelė, bet jis perorientuoja ekonomiką ir laikotarpius. Jei galite atgauti medicininius izotopus per valandas, o ne juos prarasti, investicijos atsiperka tiek visuomenės sveikatos, tiek atliekų mažinimo srityse."

Jos pastaba buvo praktiška. "Perėjimas nuo stalo laboratorijos eksperimentų prie nuolatinių, apsaugotų operacijų yra ta vieta, kur dauguma projektų stringa. Sėkmei reikės koordinuoto pastangų tarp reguliuotojų, energetikos įmonių ir technologijų tiekėjų."

Platesnės pasekmės ir kiti žingsniai

Centrifuginio radiocheminio atskyrimo priėmimas gali paveikti kelias sritis. Ligoniai galėtų gauti stabilesnį prieinamumą trumpalaikiams medicininiams izotopams, kurių šiuo metu trūksta. Pramonė ir kosmoso taikymai galėtų pasinaudoti atgautu paladžiu ir rodisu. Valstybės atliekų tvarkymo strategijos galėtų būti pertvarkytos taip, kad pirmenybė būtų teikiama aktyviam sumažinimui, o ne pasyviai izoliacijai.

Artimiausi etapai, kuriuos verta stebėti, apima PaCERS kaskadų pilotinius demonstravimus, nepriklausomus gyvenimo ciklų poveikio vertinimus ir tarptautinį susitarimą dėl saugumo priemonių. Jei pilotinės gamyklos patvirtins greitį, išeigą ir sandarumo teiginius, politikams teks peržiūrėti perdirbimo apribojimus ir investuoti į reaktorių projektus, galinčius užbaigti transmutacijos žingsnį.

Išvados

Nepažiūrint į tylų pradą, centrifuginė radiochemija paverčia ilgai laikytą našta į potencialų strateginį turtą. Darbas yra techniškas ir eigos kelias bus atsargus. Tačiau greitesni atskyrimai, mažesnės gamyklos ir tikslinė atliekų mažinimo taktika kartu siūlo realų būdą atgauti ekonominę ir socialinę vertę iš panaudoto kuro bei sutrumpinti priežiūros laikotarpius nuo tūkstantmečių prie dešimtmečių.