Гибридный реактор уничтожит самые опасные ядерные отходы
Способов переработки ядерных отходов физикам известно много. Да и слово «отходы» они не обожают. Так как что есть отходом для одного типа реактора, может послужить красивым горючим для второго. Люди в далеком прошлом грезят замкнуть цикл так, дабы «окончательными отходами» явились материалы, каковые не требуют захоронения на десять тысяч лет.
Второй вопрос — как лучше всё это реализовать? На него сейчас показался новый ответ.
В ходе работы АЭС образуются трансурановые отходы, складывающиеся из долгоживущих радиоактивных элементов. Это наипервейшая головная боль поборников охраны пророды, очень плохо относящихся к ядерной энергетике. Так как в остальном — полная красота: нет выбросов парниковых газов и другой «мерзости». Про опасность аварии необходимо сказать раздельно (имеется интересные проекты).
Но вот отработанное горючее…
Ни одно из ответов, как грамотно поступать с отходами от работы ядерных реакторов (а самые массовые — это легководные, на тепловых нейтронах), не есть совершенным. Обожать природу — сложно. И что ещё хуже — дорого.
Хотите выкинуть? Стройте надёжные хранилища, вычисленные не на столетия — на тысячелетия. Наподобие того, что намечается возвести в Соединенных Штатах под горой Юкка. В том месте не просто сеть тоннелей — большой комплект автоматики, стенки из титаного сплава и другое в таком духе. А уж в какие конкретно многослойные «матрёшки» из сверхстойких сплавов предлагается упаковывать облучённое горючее, так любо-дорого взглянуть.
Кстати, дорого — не то слово. Цена вопроса — десятки млд дол. И это лишь на постройку сооружения.
Не смотря на то, что ITER есть исследовательским реактором ядерного синтеза, он первым обязан продемонстрировать осуществимость промышленных электростанций для того чтобы рода. Как видно по фигурке человечка внизу, установка эта – легко колосс.
Сложность, сроки и стоимость строительства этого монстра –соответствующие. В то время, когда синтез вытеснит простую ядерную энергетику? (иллюстрация ITER)
Что ещё? Много лет учёные трудятся над превращением реакторов на стремительных нейтронах в сжигатели отработанного горючего с реакторов простых. В данной стратегии большое количество плюсов: общее число страшных радиоактивных отходов, подлежащих однако захоронению, быстро снижается, а полнота применения природного урана — увеличивается радикально.
Такие реакторы (различного калибра и назначения) существуют много лет, не смотря на то, что их мало, в сравнении с реакторами на тепловых нейтронах. Имеется и новые проекты для того чтобы типа (в Российской Федерации, например, данному направлению уделяется большое внимание). Но так же, как и прежде яблоком раздора есть не физика, а также не инженерное воплощение идей учёных (его направляться признать более сложным, нежели у простого реактора), а бухгалтерия.
Про экзотику наподобие отправки отходов в космос либо погружения их под земную кору на данный момент, тем более, сказать рано. Ещё варианты?
Согласно точки зрения группы учёных, возглавляемой Майком Котсченрейтером (Mike Kotschenreuther) из университета Техаса (University of Texas at Austin), лучшим ответом будет подкритическая гибридная установка синтеза-распада.
Кратко устроена она так. В центре — источник нейтронов, трудящийся на реакции синтеза — Compact Fusion Neutron Source (CFNS). «Одеяло» около CFNS — это ядерный реактор, в который в качестве горючего помещаются трансурановые отходы хороших легководяных АЭС.
Схема гибридной установки, придуманной в университете Техаса (иллюстрация M. Kotschenreuther et al.).
Отличие CFNS от вторых реакторов синтеза, созданных либо разрабатываемых, — малые размеры, сочетающиеся, но, с высокой мощностью (100 МВт) и весьма плотным потоком нейтронов. По типу удерживающей плазму совокупности эта установка относится к токамакам, как и множество экспериментальных устройств в различных государствах, как и флагманский интернациональный реактор ITER, что должны выстроить во Франции (запуск намечен на 2016 год).
Но в подробностях полно отличий. В частности, у техасцев придумана уникальная конфигурация магнитных катушек.
Мелкое отступление. Для питания реакций ядерного синтеза возможно использовать различное горючее: дейтерий плюс тритий, дейтерий плюс гелий-3, дейтерий плюс дейтерий и без того потом. Первый вариант несложнее всего осуществить.
Требования к температуре, времени плотности и удержания плазмы тут самые низкие. Но имеется и недочёт — сильная нейтронная радиация, страшная для людей сама по себе, да к тому же приводящая к замечательной наведённой радиоактивности в конструкциях реактора.
Потому физики грезят об установках будущего, в которых будут употребляться дейтерий и гелий-3 (его огромные запасы имеются, например, на Луне). Но до таких установок необходимо ещё добраться. Потому кроме того гигант ITER будет применять всё ту же несколько дейтерий-тритий.
А вот его коллеги и Майк подходят к проблеме нейтронов иначе. «Кто нам мешает, тот нам и окажет помощь!» — восклицают они. И поясняют, что перед CFNS не будет находиться задача выработки недорогой энергии. Данный реактор нужен всей установке только в роли поставщика сильнейшего потока нейтронов, каковые будут бомбардировать отработанное ядерное горючее и тем самым ускорять в нём процесс трансмутации (превращения элементов).
В следствии долгоживущие радиоактивные отходы, запрятанные во внешнем «одеяле» гибридного реактора, обратятся в более надёжные элементы.
Ключом к созданию токамака CFNS, соответственно, и всего комплекса для трансмутации (Fusion–Fission Transmutation System – FFTS) есть дивертор — подробность, принимающая излучения и поток частиц, исходящие от плазменного шнура, что висит в центре магнитной ловушки.
Эксперты университета Техаса создали личный его вариант, названный Super X. По способности переваривать без разрушения сильные потоки энергии от сердцевины реактора синтеза он превосходит аналоги впятеро. И именно это делает вероятным построение FFTS: очень миниатюрной установки, которая в одиночку способна совладать с отработанным горючим от 10-15 легководяных реакторов простых АЭС, информируют исследователи в пресс-релизе университета.
Для работы всего ядерного энергетического комплекса авторы концепции предлагают ввести новый, созданный ими топливный цикл. Он включает в себя пара повторного использования и этапов переработки облучённого ядерного горючего.
Исходные трансурановые элементы в отработанном горючем с АЭС (1) сперва попадают в относительно недорогие ядерные легководные реакторы (2), где преобразуется 75% отходов (в частности те элементы, каковые поддаются трансмутации при действии тепловых нейтронов). Позже уже это отработанное горючее «второго уровня» снова перерабатывается (3) и преобразовывается в горючее для тех самых гибридных установок (4), эксплуатирующих деления и реакции синтеза.
В них пережигаются ещё 24% от изначальных ядерных отходов (сейчас уже самые страшные долгоживущие элементы). И только 1% отработанного горючего на выходе комплекса (5) испытывает недостаток в геологическом захоронении (6) (иллюстрация Angela Wong).
Сочетание хороших реакторов с гибридными FFTS, подсчитали американские эксперты, разрешит решить проблему отработанного ядерного горючего не за столетия (как при с развитием индустрии перерабатывающих реакторов на стремительных нейтронах), а за десятилетия. Наряду с этим таковой комплекс сможет уничтожать 99% трансурановых отходов АЭС.
В довершение к столь яркой возможности, как уверяют авторы совокупности в собственной статье в издании Fusion Engineering and Design, комплекс FFTS с CFNS в качестве сердца окажется одновременно и дешевле, и действеннее других установок для трансмутации, разрабатываемых сейчас в рамках последовательности проектов.
Наряду с этим Котсченрейтер и его сотрудники разглядывают FFTS как промежуточный этап перехода человечества от ядерной к термоядерной энергетике, дополняемой другой (солнце, ветер, волны).
А до тех пор пока нет промышленных реакторов синтеза, талантливых дать ток потребителям, оставаясь конкурентоспособными по цене, направляться взять максимум барышов с классических АЭС. Барышов в виде экологически чистой (в плане загрязнения воздуха) энергии. А сейчас ещё — и практически безотходной.
Тут нужно подчернуть, что сама мысль соединения в одном устройстве термоядерного и ядерного реакторов, чтобы преобразовывать в нём отработанное горючее с АЭС, — далеко не нова. Но техасцы, как они вычисляют, первыми продемонстрировали путь к постройке для того чтобы гибрида-избавителя, что был бы осуществим с позиций как инженерии, так и экономики.
Дивертором Super X уже заинтересовались три научные группы в Соединенных Штатах и Британии, трудящиеся над собственными проектами токамаков. И в случае если найдутся средства на продолжение изучений Котсченрейтера, следующими шагами учёных будут расширенное численное моделирование, постройка прототипа и инженерный проект FFTS.
