6 Minutės
Fonas: kodėl tritis svarbus branduolių sintezei
Branduolių sintezė — procesas, kuriuo lengvųjų branduolių susijungimas išskiria energiją — plačiai vertinama kaip potencialus gausios, mažai anglies dioksido išmetančios elektros energijos šaltinis. Iš siūlomų sintezės reakcijų deuterio–tritio (D–T) reakcija yra prieinamiausia pirmosios kartos jėgainėms, nes reikalauja mažesnių temperatūrų ir energijos įnašo nei kitos sintezės grandys. Tritis, radioaktyvus vandenilio izotopas, yra būtinas D–T sintezei, tačiau jis yra retas, brangus gaminti ir skyla su apie 12,3 metų pusei (maždaug 5,5 % nuostolis per metus didelėse atsargose).
Los Alamos nacionalinės laboratorijos fizikas Terence Tarnowsky rudens susitikime Amerikos chemijos draugijoje pristatė pasiūlymą, kad tritis galėtų būti generuojamas iš medžiagų, jau esančių panaudotame branduoliniame kure. Jo koncepcija siekia kai kurias ilgai gyvuojančių branduolinių atliekų sudedamąsias dalis paversti naudingu sintezės kuru, naudojant tikslingas apšvitinimo technikas ir dalelių greitintuvus. Jei įgyvendinama ir ekonomiška, tokia prieiga galėtų spręsti du strateginius branduolių sintezės plėtros iššūkius: kuro tiekimą ir ilgalaikį panaudoto kuro tvarkymą.
Pasiūlytas metodas: tritio gamyba iš panaudoto branduolinio kuro
Įprastos atominės jėgainės veikia dalijimosi būdu — skaidydamos sunkiuosius branduolius, pavyzdžiui, uraną, jos išskiria energiją. Kaip rezultatas lieka panaudotas branduolinis kuras, kuriame yra likutinio urano ir plutonio bei įvairių skilimo produktų ir radioaktyvių izotopų, pavojingų nuo dešimtmečių iki milijonų metų. Tarnowsky siūlo naudoti dalelių greitintuvą transmutacijos reakcijoms šiose atliekoms skatinti, taip gaunant tritį kaip šalutinį produktą.
Kaip tai veiktų (apžvalga)
- Dalelių greitintuvas arba panašus šaltinis įšvirkščia aukštos energijos daleles (protonus, neutronus ar elektronus) į apdorotą panaudotą kurą arba tam tikras atliekų frakcijas.
- Tos sąveikos sukelia branduolinius procesus (fragmentaciją ir transmutaciją), kurios paverčia esamus izotopus kitais nuclidais ir galiausiai pagamina dalį tritio.
- Tritis cheminiu būdu atskiriamas ir atgaunamas sintezės kurui; likusi medžiaga lieka radioaktyvi ir turi būti toliau tvarkoma.
Tarnowsky pabrėžia, kad tokių transmutacijos procesų pagrindinė fizika yra gerai suprantama, o naujausi pasiekimai dalelių greitintuvų ir medžiagų technologijose gali padaryti procesą žymiai efektyvesnį nei senesnės koncepcijos.
Našumas, kaštai ir praktinės pasekmės
Pirminiais skaičiavimais Tarnowsky nustato, kad energijos įnašas maždaug 1 gigavatmetis (didelis operacinis mastas, kurio kapitalo ir elektros sąnaudos tikėtina siektų dešimtis milijonų dolerių per metus) galėtų duoti apie 2 kilogramus (4,4 svaro) tritio per metus. Toks tritio kiekis, jei būtų suvartotas sintezės reaktoriuose, galėtų tiekti elektros energiją dešimtims tūkstančių JAV namų vieneriems metams — tai iliustruoja didelį sintezės kuro energijos tankį.
Dabartinės tritio atsargos JAV yra ribotos ir brangios: rinkos ir vyriausybės vertinimai nurodo kainą apie 15 mln. USD už svarą (maždaug 33 mln. USD už kilogramą). Todėl gausių, valstybės valdomų panaudoto kuro atsargų konvertavimas į tritį galėtų būti tiek strateginis tiekimo sprendimas, tiek būdas pridėti vertę esamiems radioaktyviems ištekliams.
Vis dėlto lieka svarbių pastabų. Siūlomas procesas neišsprendžia ilgalaikės radioaktyviosios problemos: medžiaga, likusi po tritio gamybos, išliktų pavojinga ir reikalautų saugaus saugojimo arba utilizavimo. Būtini reguliavimo, saugumo ir aplinkos vertinimai, o ekonomika labai priklauso nuo eksploatacinių sąnaudų, investicijų į greitintuvus ir atskyrimo technologijų.
Techniniai ir reguliavimo iššūkiai
Prieš diegiant šią prieigą plačiu mastu reikia spręsti keletą reikšmingų iššūkių:
- Inžinerinis demonstravimas: reikalinga bandomoji įranga, kuri įrodytų, kad greitintuvai gali efektyviai transmutuoti panaudotą kurą priimtinais kaštais.
- Atliekų tvarkymas ir sauga: panaudoto kuro apdorojimas, siekiant užtikrinti apšvitinimą ir cheminį atskyrimą, reikalauja sudėtingų radiologinės apsaugos priemonių ir saugos garantijų, kad būtų išvengta išmetimų į aplinką.
- Proliferacija ir politika: bet koks procesas, susijęs su plutonį turinčiomis medžiagomis, reikalautų griežtos priežiūros, kad būtų išvengta neleistino išgavimų ar neteisėto panaudojimo.
- Ekonomika: tritio ekonominė vertė turi padengti kapitalo ir eksploatacines sąnaudas. Svarbūs yra greitintuvų efektyvumo ir atskyrimo chemijos patobulinimai.
Eksperto įžvalga
Dr. Maya Singh, išgalvota plazmos fizikė ir energetikos sistemų analitikė, komentuoja: "Panaudoto branduolinio kuro pritaikymas tritio gamybai yra kūrybiškas būdas spręsti du strateginius iššūkius vienu metu — kuro tiekimą ankstyvosioms sintezės diegimo fazėms ir radioaktyvių atsargų valdymą. Fizikiniai pagrindai yra įtikinami, tačiau tikrasis išbandymas yra sisteminė inžinerija: kaip tai atlikti saugiai, ekonomiškai ir griežtų reguliavimo reikalavimų ribose. Jei šias kliūtis pavyktų įveikti per bandomąją programą, ši koncepcija nusipelno rimtos dėmesio, kai branduolių sintezė pereina nuo tyrimų prie komercializacijos."
Platesnės pasekmės ir susijusios technologijos
Jei ši idėja būtų įgyvendinta, tritio gamyba iš panaudoto kuro galėtų pakeisti deuterio–tritio reaktorių ekonomiką ir diegimo grafiką, sumažinti poreikį specialiai statomiems tritio gamybos reaktoriams bei panaudoti valstybės nuosavybės atliekų atsargas. Su tuo susiję patobulinimai, didinantys gyvybingumą, apima efektyvesnius dalelių greitintuvus, geresnį tritio atskyrimą ir cheminį apdorojimą bei integruotas atliekų tvarkymo strategijas, kurios sujungtų gamybą su saugiu saugojimu.
Vis dėlto pati sintezė vis dar susiduria su esminiu moksliniu iššūkiu — uždegimu: savarankiško sintezės degimo pasiekimu, kuris leistų gauti komerciniu mastu teigiamą energijos balansą. Kuro tiekimas yra tik vienas iš kelių kliūčių; patikimos, prieinamos sintezės jėgainės inžinerija lieka tarpdisciplininiu uždaviniu, apimančiu plazmos fiziką, medžiagų mokslą ir sistemų inžineriją.
Išvados
Tritio išgavimas iš panaudoto branduolinio kuro naudojant dalelių greitintuvais valdomą transmutaciją yra perspektyvi idėja, galinti sumažinti esminį kamštį ankstyvosioms sintezės jėgainėms ir tuo pačiu pridėti vertę esamoms radioaktyvioms atsargoms. Šis metodas neišsprendžia ilgalaikio atliekų tvarkymo poreikio ir susiduria su techniniais, ekonominiais bei reguliavimo barjerais, reikalaujančiais demonstracinių projektų ir išsamių studijų. Kai branduolių sintezės tyrimai toliau progresuos, lanksčios kuro gamybos strategijos — įskaitant sprendimus, kurie pritaikytų esamus atliekų srautus — gali vaidinti svarbų vaidmenį leidžiant praktiškai diegti mažo anglies dioksido išmetimo sintezės energetiką.
Šaltinis: livescience
Komentarai