Вторая жизнь ядерного топлива: США делают ставку на переработку отходов

Атомные реакторы по всей территории Соединенных Штатов вырабатывают колоссальные объемы электроэнергии, но вместе с тем и значительное количество отработанного ядерного топлива. Хотя этот материал принято считать отходами, в нем остается неиспользованным более 95% энергетического потенциала. При поддержке Министерства энергетики США ученые из Аргоннской национальной лаборатории объединили усилия с частной компанией, чтобы воплотить в жизнь идею переработки ядерного топлива.

Этот инновационный подход к повторному использованию энергоресурсов может коренным образом изменить систему управления ядерными активами в стране, сократив объемы радиоактивных отходов и позволив извлекать больше энергии из уже существующих топливных источников. Конечная цель — сделать переработку экономически выгодным и масштабируемым решением для устойчивого энергетического будущего.

Ключевым элементом инициативы стало партнерство Аргоннской лаборатории с компанией SHINE Technologies из Висконсина. Вместе они разрабатывают новый химический процесс для эффективного извлечения ценных элементов из отработанного топлива. В основе технологии лежат центробежные контакторы — высокоскоростные вращающиеся устройства, разделяющие смешанные жидкости по плотности. Эти компактные и эффективные машины делают процесс переработки более безопасным, быстрым и легко адаптируемым для промышленных нужд.

Переработка отработанного ядерного топлива — задача не из простых. Материал обладает высокой радиоактивностью и выделяет тепло еще долгое время после извлечения из реактора, требуя многолетнего хранения и охлаждения. Перерабатывающие предприятия должны быть оснащены мощными системами экранирования и контроля радиации для защиты персонала и окружающей среды. Не менее важна и безопасность: каждый этап процесса, от хранения до разделения, проектируется с учетом предотвращения несанкционированного доступа по принципу «безопасность через проектирование».

Помимо технических аспектов, переработка должна быть экономически оправданной. К счастью, некоторые из получаемых материалов, например определенные радиоизотопы, имеют реальную коммерческую ценность. Их можно использовать в реакторах нового поколения, в космических исследованиях для питания аппаратов в дальнем космосе или даже в медицинской диагностике. Растущий спрос на такие побочные продукты делает экономику переработки все более привлекательной для инвесторов.

Будущие атомные электростанции, особенно проекты следующего поколения, будут использовать топливо иначе, что потребует индивидуальных методов переработки. Эксперты Аргоннской лаборатории уже сегодня моделируют поведение топлива в различных типах реакторов, чтобы адаптировать свои стратегии к технологиям завтрашнего дня. Эта работа закладывает основу для создания предприятий, способных перерабатывать топливо из передовых модульных реакторов.

Чтобы ускорить исследования без рисков, связанных с работой с реальным отработанным топливом, команда под руководством химика-ядерщика Питера Ткача использует ускоритель Ван де Граафа. Он позволяет создавать низкий уровень радиоактивности в контролируемой среде для изучения поведения химических веществ. Кроме того, ученые активно применяют 3D-печать для быстрого создания и тестирования прототипов деталей для центробежных контакторов, что значительно ускоряет разработку.

Нынешнее сотрудничество — не первый успешный опыт для Аргоннской лаборатории и SHINE Technologies. Ранее их совместная работа позволила усовершенствовать производство медицинских изотопов, что привело к инновациям в диагностике и терапии. Теперь этот опыт применяется для решения одной из ключевых проблем атомной энергетики — долгосрочного управления отходами. В случае успеха проект может кардинально сократить объем радиоактивных отходов и продлить срок службы существующего топлива, обеспечивая чистое и обильное энергоснабжение для будущих поколений.