США планують до 2050 року додати близько 300 гігават (ГВт) ядерних потужностей і водночас розробляють стратегію переробки ядерного палива, яка може скоротити термін безпечного зберігання радіоактивних відходів із сотень тисяч до лише сотень років. Про це йдеться в матеріалі Interesting Engineering.
Нині в країні працюють 94 легководні реактори, що забезпечують приблизно 20 відсотків електроенергії та близько 100 ГВт встановленої потужності. Досягнення цілі на 2050 рік означатиме суттєве розширення ядерного парку — а отже, за незмінних підходів, і різке зростання обсягів відпрацьованого ядерного палива, яке треба безпечно зберігати тисячоліттями.
Піропереробка як шлях до зменшення відходів
Щоб розв’язати цю проблему, науковці з Аргоннської національної лабораторії (Argonne National Laboratory, ANL) розробляють технології, які дозволяють переробляти відпрацьоване паливо для використання в перспективних реакторах. Один із ключових напрямів — піропереробка, що може одночасно зменшити потребу в новому видобутку урану та скоротити обсяги і довговічність радіоактивних відходів.
За оцінками лабораторії, застосування піропереробки здатне зменшити необхідний термін зберігання частини ядерних відходів із сотень тисяч років до кількох сотень. Суть процесу полягає у використанні високих температур для фізичної або хімічної зміни твердих матеріалів — відпрацьовані тепловидільні збірки перетворюються на матеріал, придатний для повторного використання в розширених (advanced) реакторах.
Технологія була важливою частиною програми Integral Fast Reactor (IFR) в ANL, де швидкий реактор поєднували з переробкою палива безпосередньо на майданчику. У 1980–1990-х роках Японія також розглядала IFR і паливо типу МОКС (плутоній-урановий змішаний оксид), але тоді обрала МОКС. Тепер країна знову оцінює можливість використання IFR і піропереробки для реакторів, які планують запустити в 2040-х роках.
Про технічні аспекти піропереробки та перспективи її впровадження детальніше йдеться у відео, доступному за посиланням з оригінального матеріалу.
Співпраця з компаніями для виходу на ринок
Паралельно Аргоннська лабораторія співпрацює з низкою компаній, зокрема Deep Isolation та Oklo, щоб наблизити ядерну переробку до комерційного застосування. Разом із Deep Isolation дослідники перетворюють стабільні оксиди, що утворюються з відпрацьованого палива, у металеву форму — це критичний перший етап перед електрохімічною обробкою.
Команда також створює датчики для відстеження процесу в режимі реального часу та випробовує дешевші матеріали, здатні забезпечити таку саму ефективність, як і дорожчі аналоги. У співпраці з Oklo розробляються системи машинного навчання та «цифрові двійники» процесу електрорафінування, які мають допомогти точніше моделювати й оптимізувати переробку палива.
Оптимізація хімічних процесів у складних умовах
Ще один напрям роботи ANL пов’язаний із компанією SHINE Technologies з Вісконсину. Тут дослідники досліджують підходи до переробки палива, що базуються на центробіжних контакторах для розділення рідких фаз.
Керівник команди, ядерний хімік Пітер Ткач (Peter Tkac), пояснює, що важливо оптимізувати етапи розділення так, щоб чутливі ядерні матеріали залишалися змішаними, а не виділялися у вигляді чистих потоків. Це має зменшити ризики, пов’язані з розповсюдженням ядерних матеріалів, водночас зберігаючи ефективність переробки.
Для моделювання умов на реальних переробних підприємствах команда використовує електронний прискорювач Van de Graaff, який створює інтенсивне випромінювання, подібне до того, що буде всередині ядерних переробних установок. Це дозволяє вивчати, як з часом руйнуються хімічні реагенти, що застосовуються в процесах переробки.
Додатково дослідники застосовують спеціалізовані 3D-принтери для виготовлення індивідуальних деталей обладнання. Так вони можуть швидко перевіряти різні конструкції й конфігурації перед тим, як переходити до промислових масштабів.
За словами Ткача, сьогодні існує продумана стратегія переробки ядерного палива, але конкретні підходи залежатимуть від того, які саме типи реакторів будуть обрані для виробництва енергії у США. Від цього залежить, які технології переробки та зменшення відходів виявляться найбільш придатними та економічно доцільними.