Альтернативное использование ядерных отходов

Атомная энергетика хороша, если вы хотите производить много электроэнергии, не выделяя при этом много CO2 и других вредных загрязняющих веществ. Однако главной проблемой технологии всегда была проблема отходов. Многие побочные продукты работы атомных электростанций радиоактивны и остаются таковыми на протяжении тысячелетий. Хранение этих отходов безопасным и экономичным способом продолжает оставаться проблемой.

Альтернативные методы борьбы с этим потоком отходов продолжают оставаться активной областью исследований. Так как же можно перенаправить или повторно использовать эти отходы?

Одной из основных форм отходов типичного ядерного легководного реактора (LWR) является отработанное топливо реакции деления. Они состоят примерно на 3% из изотопов отходов, на 1% из изотопов плутония и на 96% изотопов урана. Эти отходы содержат большое количество трансурановых элементов, период полураспада которых измеряется многими тысячами лет. Они создают самые большие проблемы с хранением, поскольку их необходимо надежно хранить в безопасном месте в течение периода времени, намного превышающего продолжительность жизни любого человеческого общества.

Предлагаемое решение этой проблемы состоит в том, чтобы вместо этого использовать реакторы на быстрых нейтронах, которые «разводят» неделящийся уран-238 на плутоний-239 и плутоний-240, которые затем можно использовать в качестве свежего топлива. Усовершенствованные конструкции также способны перерабатывать другие актиниды, а также использовать их в качестве топлива в процессе деления. Преимущество этих реакторов заключается в том, что они могут использовать почти всю энергию, содержащуюся в урановом топливе, сокращая расход топлива в 60–100 раз по сравнению с традиционными методами.

К сожалению, развитие технологии быстрого размножения во многом сдерживается экономическими причинами. Открытие более обильных запасов урана в 1970-х годах означало, что дешевле просто добыть больше топлива, чем перерабатывать отходы. Кроме того, развитие тормозит обеспокоенность по поводу способности быстрых реакторов-размножителей создавать пригодный для оружия ядерный материал. Хотя технология является многообещающей, крупные разработки в этой области, вероятно, произойдут десятилетия.

Для космических кораблей, путешествующих в далекие глубины, солнечная энергия не всегда помогает. За пределами Марса от Солнца просто не так много света, чтобы сделать солнечные панели жизнеспособным вариантом электроснабжения. В этих случаях на космических кораблях часто используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ), которые упаковывают радиоактивные материалы в корпус с помощью термопар. Тепло разлагающегося материала генерирует электричество через массив термопар, который используется для запуска космического корабля. Дополнительным преимуществом является то, что подаваемое тепло помогает поддерживать в системах на борту корабля подходящую рабочую температуру.

Исторически их использовали Россия и США, но Европейское космическое агентство стремится заполучить эту технологию. План предполагает извлечение америция-241 из британских запасов плутония, образующегося при переработке ядерного топлива. Хотя это вряд ли станет крупным проектом с точки зрения очистки отходов, он может послужить полезным источником материалов для РИТЭГов. Это особенно актуально, поскольку запасы плутония в США истощаются, поскольку ранее использовавшийся плутоний-238 можно было получить только из реакторов, использовавшихся для производства ядерного оружия, которые с тех пор были остановлены. Гонка за производством продолжается, но в то же время это открывает двери для британского проекта.

Альтернативная идея в этой области — бета-вольтаическая батарея. Это работает за счет использования полупроводникового материала, который захватывает электроны, высвобождаемые в результате бета-распада радиоактивного материала. Бристольский университет работает над разработкой «алмазной батареи», в которой используется радиоактивный углерод-14 из отходов графитовых блоков-замедлителей, используемых на британских ядерных объектах. С блоков соскребают внешние слои, в которых находится большая часть углерода-14, и он используется для создания искусственных алмазов, которые высвобождают электроны при распаде. Затем их заключают в оболочку из нерадиоактивного углерода-12, чтобы предотвратить утечку радиации в атмосферу. Электроны, высвобождаемые при бета-распаде, имеют низкую энергию, поэтому необходима лишь незначительная защита. Подсчитано, что такие батареи могут обеспечивать мощность порядка 100 мкВт в течение тысяч лет.