Дослідники з Національного прискорювального центру імені Томаса Джефферсона Міністерства енергетики США просувають два важливі проєкти, спрямовані на оптимізацію систем, що працюють на основі прискорювачів заряджених частинок (ADS).
Ініціатива зосереджена на прориві подвійного призначення: виробленні додаткової безвуглецевої електроенергії з відпрацьованого ядерного палива за одночасного значного скорочення його радіоактивного терміну служби.
Проєкти підтримуються грантами Міністерства енергетики США у розмірі 8,17 млн доларів США в рамках програми NEWTON (Nuclear Energy Waste Transmutation Optimized Now) і є переходом від ставлення до відпрацьованого ядерного палива як до незворотної проблеми до розгляду його як відновлюваного джерела палива.
Дослідники розробляють технології ADS. Ця система використовує прискорювач частинок для обстрілу мішені (наприклад, рідкої ртуті) високоенергетичних протонів, запускаючи процес, що називається «розщепленням». Це вивільняє потік нейтронів, які взаємодіють із небажаними, довгоживучими ізотопами в ядерних відходах.
Технологія дозволяє ефективно «спалювати» найнебезпечніші компоненти відходів шляхом трансмутації цих елементів. У той час, як необроблене паливо залишається небезпечним приблизно 100 000 років, поділ та перероблення за допомогою ADS можуть скоротити цей період до 300 років.
Підвищення ефективності прискорювача для економічної доцільності
Цей процес також генерує значну кількість тепла, яку можна використовувати для додаткової електроенергії для мережі.
"Замість зберігання відходів протягом 100 000 років, наприклад, можна скоротити термін зберігання до 300 років", - сказав Ронглі Генг, керівник відділу науки й технологій SRF в лабораторії Джефферсона і головний дослідник обох проєктів.
Для забезпечення економічної доцільності ADS лабораторія Джефферсона вирішує дві основні технічні проблеми: ефективність та енергоспоживання.
Традиційні прискорювачі частинок вимагають масивних та дорогих кріогенних систем охолодження для досягнення надпровідних температур. Лабораторія Джефферсона розробляє економніший підхід, покриваючи внутрішню поверхню камер із чистого ніобію оловом.
Ці ніобієво-олов'яні камери можуть працювати за вищих температур, що дозволяє використовувати стандартні комерційні системи охолодження замість спеціалізованих великомасштабних кріогенних установок. Команда також розробляє "спицеві" камери — складну конструкцію, призначену для підвищення ефективності нейтронного розщеплення.
Використання потужних магнетронів
Другий проєкт присвячений джерелу живлення пучка. Дослідники адаптують магнетрон - той же компонент, який живить мікрохвильові печі, - для забезпечення потужності 10 мегаватів, необхідної для ADS.
Основна проблема полягає в тому, що енергетична частота повинна точно відповідати частоті прискорювальної камери – 805 мегагерців. У співпраці зі Stellant Systems дослідники створюють прототипи вдосконалених магнетронів, які можна комбінувати задля досягнення необхідних високих порогових значень потужності з максимальною ефективністю.
Програма NEWTON спрямована на забезпечення можливості перероблення всього комерційного запасу ядерного палива США протягом наступних 30 років.
Залучаючи із самого початку таких партнерів із промисловості, як RadiaBeam, General Atomics та Stellant Systems, лабораторія Джефферсона забезпечує швидке впровадження цих технологій із лабораторії у комерційне виробництво.
Ці проєкти пропонують потенційне вирішення давньої суперечки про постійні геологічні сховища, зміщуючи парадигму від довгострокового поховання до активного, продуктивного повторного використання.
"Завдання полягає в тому, щоб справді перекласти науку про прискорювачі з нинішнього рівня технологічної готовності на той рівень, який необхідний для цього застосування", - сказав Генг.
