США разрабатывают технологию переработки ядерных отходов в водородное топливо

В настоящее время в мире нет ни одной атомной электростанции, работающей на принципе термоядерного синтеза (реакции ядерного синтеза). Все атомные электростанции работают на принципе деления урана для получения тепловой энергии.

Ядерный синтез — это процесс соединения двух атомов с выделением тепла, которое приводит в действие генератор. Генераторы обеспечат большой запас электроэнергии практически без выбросов. Поэтому теоретически он считается одним из самых чистых видов энергии.

Действующие сегодня атомные электростанции используют реакции ядерного деления для выработки энергии, но при этом образуется много ядерных отходов, которые остаются радиоактивными в течение многих лет.

Ядерные отходы с атомных электростанций трудно поддаются переработке и чрезвычайно дороги в хранении.

В отличие от этого, процесс ядерного синтеза, питающий звёзды во Вселенной, на своей конечной стадии производит очень мало радиоактивных отходов. Этот процесс требует синтеза дейтерия и трития.

Человечество добилось значительных успехов в освоении энергии термоядерного синтеза, и одним из них является атомная электростанция OpenAI в Огайо, США. Однако ещё более сложной задачей является получение тритиевого топлива, необходимого для термоядерных реакций.

Несмотря на то, что дейтерий легко доступен, в США в настоящее время наблюдается острый дефицит трития. «В настоящее время стоимость коммерческого трития составляет около 15 миллионов долларов за фунт [33 миллиона долларов за килограмм], и у США нет собственных мощностей для его производства», — заявил Теренс Тарновски, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) и ведущий автор исследования.

Тритий для термоядерных реакторов Тритий в естественном виде встречается в верхних слоях атмосферы, и его основными коммерческими производителями являются реакторы в Канаде.

В пресс-релизе Тарновски сообщил, что на данный момент общие запасы трития на планете составляют около 55 плюс-минус 31 фунт [25 плюс-минус 14 килограммов].

По оценкам Тарновски, 25 килограммов достаточно для обеспечения электроэнергией более 500 000 домов в течение шести месяцев. «Это больше, чем количество домов в Вашингтоне, округ Колумбия».

Между тем, в США хранятся тысячи тонн ядерных отходов с коммерческих атомных электростанций. Они содержат высокорадиоактивные материалы, безопасность которых требует дорогостоящего хранения.

Таким образом, учёные увидели возможность оценить возможность использования всё ещё радиоактивных ядерных отходов для получения ценного трития. Моделирование показало, что ядерные отходы могут быть хорошим источником, и Тарновски провёл многочисленные компьютерные моделирования потенциальных тритиевых реакторов, чтобы оценить производительность и энергоэффективность конструкции.

Согласно пресс-релизу, при расщеплении атомов во время моделирования они высвобождали нейтроны и в конечном итоге после серии других ядерных переходов создавали тритий.

Функция ускорения позволит операторам включать и выключать эти реакции и считается более безопасной, чем цепные реакции, которые происходят на обычных атомных электростанциях.

Ускоритель бомбардирует радиоактивные компоненты ядерных отходов, высвобождая нейтроны для создания трития. Иллюстрация: GenAI

По его оценкам, эта теоретическая система мощностью 1 ГВт могла бы производить около 2 кг трития в год. Он прогнозирует, что такая конструкция будет производить более чем в 10 раз больше трития, чем термоядерный реактор той же тепловой мощности.

Следующий план учёного — рассчитать стоимость производства трития после того, как он получит более подробные расчёты производительности реактора. Моделирование также будет уточнено для точной оценки эффективности и безопасности конструкции реактора.

Тарновский также планирует разработать новый код для модели окружающих ядерных отходов с расплавленной литиевой солью, устоявшейся конструкции для реактора на урановом топливе, используемого только для научных экспериментов.

«Энергетический переход требует больших затрат, и мы должны стараться сделать его проще всякий раз, когда это возможно», — сказал Тарновски, который в настоящее время занимается строительством первой коммерческой термоядерной электростанции в Соединенных Штатах и во всем мире.

Если эта конструкция будет усовершенствована, она сможет обеспечить работу будущих термоядерных реакторов и переход на менее интенсивную по выбросам энергию.

Исследование финансировалось Лос-Аламосской национальной лабораторией и Национальным управлением ядерной безопасности США. Учёный представит свои результаты на осеннем заседании Химического общества, которое пройдёт с 17 по 21 августа.