Tyrėjai iš JAV Energetikos departamento nacionalinės greitintuvo laboratorijos „Thomas Jefferson National Accelerator Facility“ plėtoja du itin svarbius projektus, skirtus optimizuoti greitintuvu varomas sistemas (ADS, Accelerator-Driven Systems).
Šios iniciatyvos tikslas – pasiekti dvigubą proveržį: iš sunaudinto branduolinio kuro gaminti papildomą, anglies dvideginio neišskiriančią elektros energiją ir kartu drastiškai sutrumpinti radioaktyvių atliekų pavojingumo trukmę.
Projektams įgyvendinti skirta 8,17 mln. JAV dolerių JAV Energetikos departamento programos „NEWTON“ („Nuclear Energy Waste Transmutation Optimized Now“) parama. Tai žymi požiūrio kaitą – panaudotas branduolinis kuras pradedamas vertinti ne kaip nuolatinė našta, o kaip perdirbamas energijos išteklius.
Siekdami šių tikslų, tyrėjai kuria ADS technologiją. Ši sistema naudoja dalelių greitintuvą, kuris didelės energijos protonais „šaudo“ į taikinį (pvz., skystą gyvsidabrį) ir taip sukelia vadinamąją spaliacijos procesą. Jo metu išlaisvinama gausi neutronų srovė, kuri sąveikauja su nepageidaujamais, ilgai išliekančiais branduolinėmis atliekomis esančiais izotopais.
Naudojant šią technologiją galima veiksmingai „sudeginti“ pavojingiausias atliekų sudedamąsias dalis, jas transmutuojant – paverčiant kitomis, daug mažiau pavojingomis medžiagomis. Jei neapdorotas kuras išlieka pavojingas maždaug 100 000 metų, tai suskaidžius ir perdirbus jį ADS sistemomis šis laikotarpis gali būti sutrumpintas iki maždaug 300 metų.
Didinamas greitintuvo efektyvumas ekonominiam gyvybingumui užtikrinti
Šio proceso metu taip pat išsiskiria didelis šilumos kiekis, kurį galima panaudoti papildomai elektros energijai gaminti ir tiekti į elektros tinklus.
„Vietoj to, kad atliekos būtų saugomos, pavyzdžiui, 100 000 metų, saugojimo laiką galima sutrumpinti iki maždaug 300 metų“, – sako „Jefferson Lab“ SRF mokslo ir technologijų skyriaus vadovas ir abiejų projektų pagrindinis tyrėjas Rongli Gengas.
Siekiant, kad ADS sistemos būtų ekonomiškai pagrįstos, „Jefferson Lab“ sprendžia du pagrindinius techninius uždavinius: efektyvumą ir galią.
Tradiciniams dalelių greitintuvams būtinos masyvios, brangios kriogeninio aušinimo sistemos, leidžiančios pasiekti superlaidumo temperatūras. „Jefferson Lab“ diegia ekonomiškesnę alternatyvą – gryno niobio ertmių vidų dengia alavo sluoksniu.
Tokios niobio ir alavo ertmės gali veikti aukštesnėje temperatūroje, todėl galima naudoti standartinius komercinius aušinimo įrenginius, o ne specialias, didelio masto kriogenines sistemas. Be to, komanda kuria vadinamąsias „spoke“ ertmes – sudėtingos konstrukcijos elementus, skirtus dar labiau padidinti neutronų spaliacijos efektyvumą.
Aukštos galios magnetronų diegimas
Antrasis projektas susijęs su spindulio energijos šaltiniu. Tyrėjai pritaiko magnetroną – tą patį komponentą, kuris naudojamas mikrobangų krosnelėse – taip, kad jis galėtų tiekti maždaug 10 megavatų galią, reikalingą ADS sistemoms.
Pagrindinis iššūkis – užtikrinti, kad energijos dažnis tiksliai sutaptų su greitintuvo ertmės dažniu, kuris yra 805 megahercai. Bendradarbiaudami su „Stellant Systems“ mokslininkai kuria pažangius magnetronų prototipus, kuriuos sujungus galima pasiekti reikiamas didelės galios ribas, išlaikant maksimalų efektyvumą.
Programos „NEWTON“ tikslas – sudaryti sąlygas per artimiausius 30 metų perdirbti visą Jungtinių Valstijų komercinio branduolinio kuro atsargą.
Įtraukdama pramonės partnerius – „RadiaBeam“, „General Atomics“ ir „Stellant Systems“ – jau pačioje pradžioje, „Jefferson Lab“ siekia, kad šios technologijos kuo greičiau būtų perkeltos iš laboratorijų į pramoninę gamybą.
Šie projektai gali pasiūlyti realų sprendimą ilgai trunkančioms diskusijoms dėl nuolatinių geologinių atliekų saugyklų, pakeičiant požiūrį iš ilgalaikio laidojimo į aktyvų, naudingą atliekų pernaudojimą.
„Pagrindinis iššūkis – realiai perkelti greitintuvų mokslo pasiekimus iš dabartinio technologinio pasirengimo lygio į tokį, kuris būtinas šiai konkrečiai taikymo sričiai“, – apibendrina Gengas.
