Радіоактивні відходи, що накопичуються внаслідок роботи чинних ядерних реакторів, можуть отримати нове, неочікуване призначення. За словами одного з науковців, їх можна перетворити на рідкісний ізотоп, необхідний для термоядерного синтезу, що потенційно здатен забезпечити людство майже безмежною кількістю чистої енергії.
Цей радіоактивний різновид водню, відомий як тритій, не є легкодоступним у природі на Землі, його виробництво є дорогим і здійснюється в обмежених обсягах. На осінній конференції Американського хімічного товариства (ACS), що відбулася цього тижня, фізик Теренс Тарновські з Національної лабораторії Лос-Аламос запропонував отримувати тритій з побічного продукту ядерного поділу, який є джерелом енергії для сучасних ядерних реакторів. Національна лабораторія Лос-Аламос, розташована в штаті Нью-Мексико, США, є однією з найбільших і найважливіших наукових установ у світі, відомою своєю роллю у розробці атомної бомби в рамках Манхеттенського проєкту, а також своїми дослідженнями в галузі ядерної фізики, енергетики та національної безпеки. Американське хімічне товариство (ACS) — це наукова організація, що сприяє розвитку хімії та хімічних професій.
Енергія майбутнього: Термоядерний синтез та його виклики
Ядерний, або термоядерний, синтез – це процес об’єднання атомів для вивільнення тепла. Хоча теоретично кілька реакцій синтезу можуть виробляти енергію, однією з найпоширеніших є злиття тритію з дейтерієм – ще одним ізотопом водню, що призводить до утворення гелію. Цей процес є джерелом енергії Сонця та інших зірок, і вчені прагнуть відтворити його на Землі для отримання екологічно чистої та рясної енергії.
Наразі термоядерний синтез неможливий у комерційних масштабах, оскільки вченим ще не вдалося досягти самопідтримуваної реакції, яка б виробляла більше енергії, ніж витрачається на її запуск – так званого “запалювання”. Ще однією суттєвою перешкодою є вартість палива, зокрема тритію.
«Ядерний синтез має потенціал забезпечити беземісійну, рясну енергію, — зазначив Тарновські виданню Live Science. — Але обмежена доступність і висока вартість тритію наразі створюють перешкоду для успіху цієї технології».
Тарновські припускає, що перше покоління термоядерних реакторів, які сприятимуть електромережі, швидше за все, покладатиметься на реакцію, що вимагає тритію. Хоча інші реакції синтезу, такі як злиття дейтерію та гелію-3, теоретично могли б бути використані для виробництва енергії, вони вимагають значно вищих температур для функціонування, а тому є дорожчими та менш практичними.
Новий підхід до виробництва тритію
Отримання великих обсягів тритію є проблемою: цей ізотоп радіоактивний і має дуже короткий період напіврозпаду. Запаси тритію розпадаються на 5,5% на рік, “тому ви не можете покласти надлишок тритію в банк і отримати його весь через 50 років, як з іншими джерелами енергії”, пояснив Тарновські.
Для успіху майбутніх термоядерних установок необхідний новий, дешевший метод виробництва тритію. “Ця спроможність повинна бути вже розроблена та запущена”, — підкреслив Тарновські.
Повторне використання ядерних відходів
Сучасні атомні електростанції покладаються на ядерний поділ, під час якого атоми розщеплюються, вивільняючи енергію. Однак поділ призводить до утворення значної кількості довгоживучих ядерних відходів. Відпрацьоване ядерне паливо — те, що колись живило ядерний поділ, але більше не придатне до використання, — складається з непридатного урану та плутонію, а також продуктів поділу, таких як ізотопи стронцію та йоду, для розпаду яких можуть знадобитися сотні мільйонів років, за даними Агентства з охорони довкілля США.
Тарновські пропонує генерувати тритій із величезних обсягів все ще радіоактивних ядерних відходів, використовуючи прискорювач частинок для розщеплення атомів у цих відходах. Прискорювач частинок — це складний пристрій, який використовує електричні та магнітні поля для розгону заряджених частинок до високих швидкостей, а потім зіштовхує їх, дозволяючи вченим вивчати будову матерії та створювати нові речовини. Розділені атоми пройшли б низку реакцій, зрештою даючи тритій. Цей процес не усуне ядерні відходи повністю, оскільки залишки від цього процесу будуть настільки ж небезпечними, як і вихідний матеріал, але він дозволить використати цей побічний продукт повторно.
Основні принципи такої конструкції не є новими, зазначив Тарновські в заяві Американського хімічного товариства, але нещодавні технологічні досягнення можуть зробити цей метод виробництва тритію значно ефективнішим.
Ранні розрахунки Тарновського показують, що при використанні 1 гігавата енергії — що коштує щонайменше десятки мільйонів доларів — ця система може виробляти 2 кілограми тритію на рік. Така кількість тритію, якщо її використовувати для термоядерного синтезу, могла б забезпечити електроенергією десятки тисяч домівок у США протягом року. Тарновські прогнозує, що ця розробка зможе виробляти більш ніж у 10 разів більше цього ізотопу порівняно з іншими методами, використовуючи таку ж кількість енергії.
Зміна парадигми та перспективи
Наразі Сполучені Штати не мають стабільного, передбачуваного та дешевого постачання тритію, вартість якого становить близько 15 мільйонів доларів за фунт (33 мільйони доларів за кілограм), повідомив Тарновські. Водночас країна володіє тисячами тонн ядерних відходів, зберігання яких є дорогим і потенційно шкідливим для навколишнього середовища.
«Ця технологія можлива вже сьогодні, — зазначив він Live Science. — Це був би дуже значний зсув парадигми щодо використання вже наявного урядом відпрацьованого ядерного палива».
Багато деталей ще потрібно доопрацювати, перш ніж Тарновські зможе створити повну пропозицію щодо реалізації цього задуму. Однак учений радіє, що його розробка нині отримує позитивну оцінку, враховуючи, що ядерні аварії, як-от на Три-Майл-Айленд та Чорнобилі, зробили ядерну енергетику табуйованою темою лише кілька десятиліть тому. Аварія на атомній електростанції Три-Майл-Айленд у Пенсильванії, США, у 1979 році стала найсерйознішою ядерною аварією в історії США, що призвела до часткового розплавлення активної зони реактора та витоку радіоактивних газів, хоча без жертв. Чорнобильська катастрофа 1986 року в Україні є наймасштабнішою техногенною катастрофою в історії ядерної енергетики, що спричинила значне радіоактивне забруднення, загибель людей та екологічні наслідки. «Часи змінилися», — сказав він виданню Live Science.
