Centrifuginė radiochemija: išnaudoti panaudotą kurą

Įsivaizduokite sandėlį spindinčių, uždarytų cilindrų, atsargą, kuri yra tokia vertinga, kad, jei būtų visiškai atgauta, galėtų pakeisti tiek rinkas, tiek medicinos tiekimo grandines. Dešimtmečius Jungtinės Valstijos traktavo šias atsargas kaip problemą, kurią reikia slėpti, o ne kaip išteklių, kuriuos verta panaudoti. Šis požiūris keičiasi.

Nacijos komercinių reaktorių palikimas ir nuo 1970-ųjų nutrauktos perdirbimo politikos paliko maždaug 94 000 tonų aukšto lygio radioaktyvių atliekų saugioje saugykloje. Dabartiniai planai numato izoliaciją laikotarpiais, matuojamais dešimtims tūkstančių metų. Tačiau išeikvotas reaktoriaus kuras nėra neveikianti šiukšlė. Tai cheminėlyje požiūriu sudėtingas kokteilis, kuriame yra didelės dalys urano ir plutonio, likusių tinkamų naudoti, taip pat įvairių izotopų, vertinamų medicinoje, pramonėje ir pažangiose technologijose.

Tarp mišinio yra stroncio-90, rodžio-103, keli paladžio izotopai ir americio-241. Nepriklausomi įvertinimai rodo, kad atgaunami izotopai JAV atsargose verti maždaug 22 mlrd. eurų, o likęs uranas ir plutonis vertinami trilijonų eurų tvarka. Tokios sumos keičia ekonominį požiūrį: vien saugojimas nebeatrodo vienintelis atsakingas variantas.

Kodėl dabartinis perdirbimas lėtas

Tradiciškai cheminis perdirbimas, būdingas PUREX metodui, tirpintą išeikvotą kurą apdoroja skystais tirpikliais aukštose kolonose. Tūrio ir pusiausvyros jėgos atlieka pagrindinį darbą, leidžiančias vandens ir organinėms fazėms atskirti elementus pagal skirtingą cheminį prieraišumą. Metodas veikia. Jis patikrintas ir išbandytas. Jis taip pat lėtas, reikalaujantis daug tirpiklių ir jautrus radiolitiniam skilimui veikiant nuolatinei radioaktyvumui. Pilni atskyrimai gali užtrukti valandas. Trumpalaikiai izotopai, vertingi medicinai, dažnai prarandami dėl delsos. Labai koncentruoti plutonio srautai taip pat gali kelti proliferacijos ir saugos rūpesčių.

Šios techninės trintys padeda paaiškinti politinį sprendimą, priimtą prieš kelis dešimtmečius, apriboti perdirbimą. Ilgai trunkančių cheminių atskyrimų kaina, didelių gamyklų poreikis ir sunkumai saugiai tvarkant tiek atliekas, tiek koncentruotus skaldžius produktus paskatino daugelį politikų teikti pirmenybę ilgalaikiam saugojimui.

Kaip centrifuginė radiochemija keičia situaciją

Atsiranda REDUCE, JAV Energetikos departamento remiama iniciatyva, kurios pavadinimas reiškia „Atkurti elementus, sunaikinti nepageidaujamus elementus ir kurti energiją“. REDUCE sujungia dvi ambicijas: pagreitinti atskyrimus ir sumažinti ilgalaikį pavojingų aktinidų kiekį, leisti efektyvesnį perdirbimą ir tikslingą transmutaciją.

REDUCE centre yra sistema, vadinama PaCERS, tai paketais sudėta centrifuginė įranga radiocheminiams atskyrimams. Vietoj priklausymo nuo gravitacijos PaCERS suka ištirpintą kurą patiriant pagreitį, viršijantį tūkstantį g. Dėl to smarkiai sumažėja reikiamo tirpiklių tūrio kiekis ir žymiai padidėja fazių atskyrimo greitis. Tai, kas su įprastomis kolonėlėmis užtrunka valandas, kaskadoje aukšto greičio rotorių gali būti atlikta per kelias sekundes.

Greitesni atskyrimai turi kelias papildomas naudą. Gamyklos gali būti mažesnės, sumažinant kapitalo išlaidas ir plotą. Trumpalaikiai izotopai gali būti sugauti prieš jų suirimą, gerinant medžiagų tiekimą, naudojamą vėžio terapijoje ir diagnostikoje. Be to, centrifuginė architektūra gali būti sureguliuota, kad nesusidarytų itin koncentruotų plutonio srautų, 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 stalų prie pilotinių operacijų masto, kurias būtų galima prijungti prie esamos kuro saugojimo ir tvarkymo infrastruktūros.

Nuo atgavimų iki naikinimo

Atgauti uraną ir plutonį yra svarbu, tačiau REDUCE komanda turi platesnį tikslą: sumažinti pačias atliekas. Elementai, netinkami komerciniam pakartotiniam naudojimui, gali būti paversti per neutronų bombardavimą reaktoriuose, skirtuose atliekų transmutacijai, arba būsimuose greitosios neutronų srovės reaktoriuose į trumpiau gyvenančias rūšis. Iš esmės ilgai trunkančių radiotoksiškų elementų atsargos būtų transformuotos į formas, kurios suyra per dešimtmečius, o ne per tūkstantmečius.

Toks dviejų žingsnių modelis — greitai atgauti vertingus izotopus, o tada tikslingai sudeginti užsispyrusius aktinidus — siūlo dinamiškesnį branduolinių medžiagų gyvavimo ciklą. Tai galėtų sumažinti geologinės izoliacijos reikalavimus ir pakeisti visuomenės požiūrį į ilgalaikę branduolinio palikimo priežiūrą.

Kaip sakė Ross Radel, Shine Technology technologijų vadovas: "Išeikvotas reaktoriaus kuras yra išskirtinis išteklius. Viduje yra vertingų medžiagų, kurias jau atskiriame medicininiams tikslams. PaCERS pritaiko tą patirtį, kad pagreitintų cheminių procesų eigą, atgautų svarbiausius elementus ir palengvintų likusių atliekų tvarkymą."

Praktiniai ir politikos iššūkiai

Techninis potencialas neištrina realių pasaulio apribojimų. Aukšto greičio radiocheminės centrifugos turi patikimai veikti labai radioaktyvioje aplinkoje. Medžiagų mokslo, rotorių balansavimo, sandarinimo ir apsaugos sritys reikalauja kruopštaus inžinerinio sprendimo. Transportavimo, perdirbimo ir neproliferacijos reguliavimai nulems, kurie izotopai gali būti atskirti ir kaip bus licencijuojamos įrenginių veiklos.

Viešasis priėmimas yra dar vienas veiksnys. Bendruomenėms, esančioms šalia saugojimo vietų, idėja išgauti vertingas medžiagas gali būti priimtina, jei tai sumažina ilgalaikę riziką, tačiau rūpesčiai dėl perdirbimo nelaimių, naujų transporto maršrutų ir pilotinių įrenginių vietos reikalauja skaidraus, į įrodymus pagrįsto dalyvavimo.

Ekspertų įžvalga

"Šis požiūris jungia senąją chemiją su naujuoju inžineriniu sprendimu", sakė dr. Priya Anand, branduolinių medžiagų specialistė, konsultavusi kelias nacionalines laboratorijas. "Centrifuginis atskyrimas nėra stebuklinga lazdelė, tačiau jis peržiūri ekonomiką ir laiko grafikus. Jei medicininius izotopus galite atgauti per valandas, o ne juos prarasti, investicijos atsiperka tiek visuomenės sveikatos, tiek atliekų mažinimo srityse."

Jos pastaba buvo praktiška. "Pereiti nuo stalinių eksperimentų prie nuolatinės, apsaugotos eksploatacijos yra ta vieta, kur dauguma projektų stringa. Sėkmei reikės koordinuoto pastangų tarp reguliuotojų, energetikos įmonių ir technologijų tiekėjų."

Platesnės pasekmės ir tolesni žingsniai

Centrifuginio radiocheminio atskyrimo pritaikymas galėtų paveikti kelias sritis. Ligoniams būtų užtikrintas stabilesnis priėjimas prie trumpalaikių medicininių izotopų, kurių tiekimas šiandien susiduria su trūkumais. Pramonė ir kosmoso programos galėtų panaudoti atgautą paladį ir rodį. Ir nacionalinės atliekų tvarkymo strategijos galėtų būti pertvarkytos, teikiant prioritetą aktyviam mažinimui, o ne pasyviai izoliacijai.

Artimiausi etapai, kuriuos verta stebėti, apima PaCERS kaskadų pilotines demonstracijas, nepriklausomus gyvavimo ciklo poveikio vertinimus ir tarptautinį bendradarbiavimą dėl saugumo priemonių. Jei pilotiniai įrenginiai patvirtins greitį, derlingumą ir sandarumo teiginius, politikos formuotojai susidurs su spaudimu peržiūrėti perdirbimo apribojimus ir investuoti į reaktorių projektus, galinčius užbaigti transmutacijos žingsnį.

Išvados

Tyliai, centrifugų palaikoma radiochemija paverčia ilgą laiką laikytą našta į potencialų strateginį turtą. Darbas yra techniškas ir kelias bus atsargus. Tačiau greitesni atskyrimai, mažesni įrenginiai ir tikslingas atliekų mažinimas kartu siūlo realų būdą atgauti ekonominę ir socialinę vertę iš išeikvoto kuro, tuo pačiu sutrumpinant priežiūros laikotarpius nuo tūkstantmečių iki dešimtmečių.