6 Minuten
Fonas: Kodėl tritis svarbus sintezei
Branduolinė sintezė — procesas, kuriuo lengvi atomų branduoliai sujungiami ir išskiria energiją — plačiai vertinamas kaip potencialus gausios, mažai anglies dioksido išskiriančios elektros energijos šaltinis. Iš siūlomų sintezės reakcijų deuterio–tritio (D–T) reakcija yra labiausiai prieinama pirmosios kartos komerciniams įrenginiams, nes reikalauja mažesnių temperatūrų ir energijos įnašo nei kitos sintezės kryptys. Tritis, radioaktyvus vandenilio izotopas, yra būtinas D–T sintezei, tačiau jis yra retas, brangus gaminti ir suyra su pusei gyvavimo trukmės maždaug 12,3 metų (apie 5,5 % nuostolis per metus dideliuose atsarguose).
Los Alamos nacionalinės laboratorijos fizikas Terence Tarnowsky renginio metu Amerikos cheminės draugijos rudens susitikime pristatė pasiūlymą, kad tritį būtų galima gaminti iš medžiagų, kurios jau yra panaudotame branduoliniame kure. Jo koncepcija siekia tam tikras ilgai radioaktyvias atliekų sudedamąsias dalis paversti naudingais sintezės kurasiais, naudojant taikytą apšvitinimą ir dalelių akceleratorius. Jei tai būtų techniškai įmanoma ir ekonomiškai pagrįsta, toks požiūris galėtų spręsti dvi strategines sintezės plėtros problemas: kuro tiekimą ir ilgalaikį panaudoto kuro valdymą.
Siūlomas metodas: tritio gamyba iš panaudoto branduolinio kuro
Standartinės atominės elektrinės veikia šis procesas: dalijant sunkius branduolius, pavyzdžiui uraną, išsiskiria energija. Kaip rezultatas susidaro panaudotas branduolinis kuras, kuriame lieka likutinio urano ir plutonio, kartu su įvairiais skaldos produktais ir radioaktyviais izotopais, kurie išlieka pavojingi dešimtmečius ar net milijonus metų. Tarnowsky siūlo naudoti dalelių akceleratorių transmutacijos reakcijoms skatinant šiose atliekuose, kaip šalutinis produktas gaminant tritį.
Kaip tai veiktų (apžvalga)
- Dalių akceleratorius arba panašus šaltinis įšvirkščia aukštos energijos daleles (protonus, neutronus ar elektronus) į apdorotą panaudotą kurą arba į konkrečias atliekų frakcijas.
- Tokių sąveikų metu vyksta branduolinės reakcijos (spalvacija ir transmutacija), kurios paverčia esamus izotopus kitais nuclidais ir galutinėje stadijoje generuoja tam tikrą kiekį tritio.
- Tritis cheminiu būdu atskiriamas ir sukaupiamas kaip sintezės kuras; likusi medžiaga išlieka radioaktyvi ir toliau reikalauja saugaus valdymo.
Tarnowsky pabrėžia, kad transmutacijos fizika yra gerai suprantama, o naujausi pažangūs akceleratorių ir medžiagų technologijų laimėjimai galėtų padaryti procesą žymiai efektyvesnį nei senesnės koncepcijos.
Našumas, kaštai ir praktinės pasekmės
Išankstinėse sąmatose Tarnowsky apskaičiuoja, kad energijos įnašas maždaug 1 gigavatmetras (didelis eksploatacinis mastas su kapitalo ir elektros kaštais, greičiausiai sieksiančiais dešimtis milijonų dolerių per metus) galėtų pagaminti apie 2 kilogramus (4,4 svaro) tritio per metus. Toks tritio kiekis, jei būtų sunaudotas sintezės reaktoriuose, galėtų aprūpinti elektra dešimtis tūkstančių JAV namų ūkių vieneriems metams — pabrėžiant sintezės kuro didelį energijos tankį.
Šiuo metu tritio tiekimas JAV yra ribotas ir brangus: rinkos ir vyriausybės vertinimai nurodo kainą apie 15 mln. USD už svarą (maždaug 33 mln. USD už kilogramą). Konvertuojant gausias, valstybės nuosavybėje esančias panaudoto kuro atsargas į tritį, tai galėtų būti tiek strateginis tritio tiekimo sprendimas, tiek būdas pridėti vertę esamoms radioaktyvioms atsargoms.
Tačiau išlieka svarbūs įspėjimai. Siūlomas procesas neišsprendžia ilgalaikės radioaktyvumo problemos: likutinė medžiaga po tritio gamybos išliktų pavojinga ir reikalautų saugaus saugojimo arba galutinio tvarkymo. Reikalingi reguliaciniai, saugumo ir aplinkos vertinimai, o ekonomika labai priklauso nuo eksploatacinių sąnaudų, investicijų į akceleratorius ir atskyrimo technologijų efektyvumo.
Techninės ir reguliacinės problemos
Prieš pradedant platų įgyvendinimą, būtina spręsti keletą reikšmingų iššūkių:
- Inžinerinis demonstravimas: reikia pilotinės įrangos, kuri įrodytų, kad akceleratoriai gali efektyviai ir priimtinais kaštais transmutuoti panaudotą kurą.
- Atliekų tvarkymas ir sauga: panaudoto kuro apdorojimas apšvitinimui ir cheminiam atskyrimui reikalauja sudėtingų radiologinių apsaugos priemonių ir saugumo užtikrinimo, kad būtų išvengta aplinkos taršos.
- Išplitimas ir politikos klausimai: bet koks procesas, susijęs su plutonio turinčiomis medžiagomis, reikalauja griežtos priežiūros, kad būtų užkirstas kelias nukrypimams ar neteisėtam naudojimui.
- Ekonomika: tritio ekonominė vertė privalo kompensuoti kapitalo ir eksploatacines išlaidas. Akceleratorių efektyvumo ir atskyrimo cheminių procesų patobulinimai yra kritiškai svarbūs.
Ekspertų įžvalga
Dr. Maya Singh, fikcinė plazmos fizikė ir energetikos sistemų analitikė, komentuoja: "Panaudoto branduolinio kuro perdėliojimas tritio gamybai yra išradingas būdas spręsti dvi strategines problemas vienu metu — kuro tiekimą ankstyviesiems sintezės įrenginiams ir radioaktyvių atsargų tvarkymą. Fizika yra tikėtina, bet tikrasis išbandymas yra sistemų inžinerija: kaip tai padaryti saugiai, ekonomiškai ir atsižvelgiant į griežtus reguliacinius reikalavimus. Jei šiuos barjerus pavyks įveikti pilotinio projekto metu, šia koncepcija verta rimtai domėtis, kai sintezė judės nuo tyrimų link komercializacijos."
Platesnės pasekmės ir susijusios technologijos
Jei idėja būtų įgyvendinta, tritio gamyba iš panaudoto kuro galėtų pakeisti D–T sintezės ekonomiką ir diegimo grafiką, sumažinti poreikį specialiai statyti tritio gamybos reaktorius ir efektyviau išnaudoti valstybės nuosavybėje esančias atliekas. Susiję patobulinimai, didinančių gyvybingumą, būtų efektyvesni dalelių akceleratoriai, pažangesnis atskyrimo ir cheminio apdorojimo metodai tritio išgavimui bei integruotos atliekų tvarkymo strategijos, kurios sujungtų gamybą ir saugų saugojimą vienoje vietoje.
Vis dėlto pati sintezė vis dar susiduria su pagrindiniu mokslo iššūkiu — uždegimu: savarankiško sintezės degimo pasiekimu, kuris komerciniu mastu suteiktų teigiamą energijos balansą. Kuro tiekimas yra tik vienas iš kelių barjerų; patikimo ir prieinamo sintezės elektrinės suprojektavimas išlieka tarpdisciplininiu iššūkiu, apimančiu plazmos fiziką, medžiagų mokslą ir sistemų inžineriją.
Išvada
Tritio išgavimas iš panaudoto branduolinio kuro naudojant į akceleratorius orientuotą transmutaciją yra perspektyvi idėja, kuri galėtų sumažinti svarbų siaurą tašką ankstyviesiems sintezės elektrinėms ir tuo pačiu pridėti vertę esamoms radioaktyvioms atsargoms. Šis požiūris neatleidžia nuo ilgalaikio atliekų valdymo poreikio ir susiduria su techniniais, ekonominiais bei reguliaciniais iššūkiais, kuriuos būtina tirti pilotinių projektų ir išsamių studijų rėmuose. Kai sintezės tyrimai progresuoja, lankstūs kuro gamybos sprendimai — įskaitant variantus, kurie perdirba dabartines atliekų srautus — gali vaidinti svarbų vaidmenį įgalinant mažai anglies išskiriantį sintezės energetikos diegimą.
Quelle: livescience
Kommentare