Відпрацьоване ядерне паливо є однією з найбільш постійних проблем, з якими стикається атомна енергетика. Після виведення реактора з експлуатації матеріал залишається високорадіоактивним, що потребує важкого та дорогого зберігання протягом десятків-сотень тисяч років.
Зараз дослідники з’ясовують, чи можуть новітні фізичні інструменти скоротити цей термін шляхом перетворення деяких із найнебезпечніших компонентів ядерних відходів на матеріали, які швидше розкладаються.
Ідея полягає в тому, щоб об’єднати прискорювач елементарних частинок із субкритичним ядерним реактором.
Звичайні ядерні реактори виділяють ізотопи, такі як плутоній-239 або америцій-241. Це «трансуранові» елементи, які залишаються радіоактивними десятки тисяч років. Звичайним реакторам важко «згоріти», оскільки вони можуть дестабілізувати ланцюгову реакцію.
У звичайному реакторі вам потрібна самопідтримувана (критична) ланцюгова реакція. У системі, що керується прискорювачем, реактор знаходиться в підкритичному стані, тобто в нього недостатньо палива, щоб самостійно підтримувати пожежу. Щоб горіти, йому потрібна зовнішня «іскра», де спрацьовує потужний прискорювач частинок.
Агентство перспективних дослідницьких проектів Міністерства енергетики США (ARPA-E) виділило Національній прискорювальній установі імені Томаса Джефферсона 8,17 мільйона доларів на реалізацію двох проектів. Фінансування через програму Nuclear Energy Waste Conversion Now Optimized (NEWTON), яка досліджує технології, які одночасно скорочують термін служби ядерних відходів і витягують з них додаткову енергію.
«Грунтуючись на нашому успіху в розробці передових технологій прискорювачів для наукових відкриттів, ми вважаємо, що можемо зробити свій внесок завдяки досвіду, який ми отримали за останні кілька десятиліть», — сказав Ронлі Генг, головний дослідник обох проектів, у прес-релізі Jefferson Lab.
Розтрата ресурсів
Неперероблене відпрацьоване ядерне паливо залишається небезпечним протягом дуже тривалого часу. Хоча більша частина тепла та радіоактивності розпадається через кілька сотень років, деякі компоненти залишаються небезпечними протягом 100 000 років або більше. Згідно з ARPA-E, відокремлення та обробка найскладніших елементів може значно скоротити цей час приблизно до 300 років. Ще довго-довго, але твої пра-пра…–онуки тобі подякують.
Системи, керовані прискорювачем, запускають протони високої енергії у важку мішень, таку як рідка ртуть. Удар вивільняє вибух нейтронів через процес, який називається відколом. Потім ці нейтрони вражають довгоживучі ізотопи ядерних відходів, перетворюючи їх на різноманітні короткоживучі матеріали.
«Ці нейтрони взаємодіють з цими небажаними ізотопами і перетворюють їх на керовані ізотопи, які ви можете перевірити на корисне використання або поховати під землею», — сказав Генг. «Наприклад, замість того, щоб мати термін зберігання 100 000 років, ви можете скоротити термін зберігання до 300 років».
Реакції також утворюють тепло. Це тепло може генерувати електроенергію та перетворювати частину проблеми відходів на джерело енергії.
Прискорювачі в наявності
Ідея використання прискорювачів частинок для боротьби з ядерними відходами існує вже багато років. Перешкодою завжди була вартість: автомобілі дорогі у виготовленні та експлуатації.
Більшість великих прискорювачів використовують надпровідні порожнини з ніобію. Метал працює тільки в дуже холодних умовах, а це означає, що для об’єктів потрібні складні кріогенні установки, що здорожує.
Дослідники з Jefferson Lab спробували більш простий підхід. Покриваючи ніобієву порожнину тонким шаром олова для створення надпровідної поверхні ніобій-олово, пристрої можуть працювати при більш високих температурах. Ця зміна може дозволити використовувати стандартне комерційне охолоджувальне обладнання замість спеціалізованих систем.
«Вони засновані на зрілому дизайні повітряної кулі Spallation Neutron Source, але ми додамо новий матеріал олова до цього існуючого дизайну», — сказав Ген. «Потім він буде протестований разом з нашими партнерами в Національній лабораторії Оук-Рідж».
Команда також розробляє іншу геометрію зазору, відому як зазор зі спицями, який може ще більше підвищити ефективність.
Другий проект присвячений джерелу живлення прискорювача. Ці системи потребують великої кількості енергії для руху пучка частинок. Дослідники досліджують удосконалені магнетрони — той самий принцип роботи, що використовується в мікрохвильових печах — для забезпечення цієї потужності. Завдання полягає в тому, щоб їх вихідний сигнал точно відповідав робочій частоті 805 мегагерц.
Галузеві партнери, зокрема Stellant Systems, General Atomics, RadiaBeam і Oak Ridge National Laboratory, були залучені з самого початку, щоб допомогти вивести технологію за межі лабораторії.
«Завдання полягає в тому, щоб фактично перевести науку про прискорювачі з того місця, де ми зараз знаходимося з точки зору технологічної готовності, до того, де технологія повинна бути для цієї програми», — сказав Генг.
Ця стаття спочатку з’явилася в березні 2026 року та була оновлена з незначними виправленнями стилю перед повторною публікацією.
