Управление перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E) выделило Национальной ускорительной лаборатории имени Томаса Джефферсона 8,17 млн долларов на разработку технологии, способной сократить срок распада отработавшего ядерного топлива с сотен тысяч до трехсот лет. Проекты реализуются в рамках правительственной программы «NEWTON» и предполагают создание гибридной системы, объединяющей подкритический ядерный реактор и ускоритель частиц.
Традиционные реакторы оставляют после себя трансурановые изотопы, такие как плутоний-239 и америций-241. Сжигание этих элементов в обычных установках сопряжено с риском потери контроля над цепной реакцией. Из-за этого отходы требуют сложного и дорогостоящего хранения в специализированных могильниках на протяжении тысячелетий.
В отличие от традиционной атомной станции, где реакция поддерживает сама себя, подкритический реактор не располагает достаточным количеством топлива для автономной работы. Ему требуется внешний источник нейтронов. Система функционирует следующим образом: ускоритель направляет пучки протонов высоких энергий на тяжелую мишень, например, на жидкую ртуть. В результате реакции скалывания происходит выброс нейтронов. Они бомбардируют долгоживущие изотопы в радиоактивных отходах, трансформируя их в элементы с коротким периодом распада.
Главный исследователь проекта Ронгли Гэн отмечает, что получившиеся изотопы можно будет безопасно утилизировать или найти им коммерческое применение. Сопутствующее выделение тепла открывает возможность генерации электроэнергии, превращая процесс переработки в дополнительный источник питания.
Идея применения ускорителей частиц для переработки отработавшего ядерного топлива обсуждается физиками давно, однако ее реализация тормозилась высокой стоимостью строительства и эксплуатации оборудования. Большинство современных крупных ускорителей используют сверхпроводящие резонаторы из ниобия. Этот металл приобретает нужные свойства только при сверхнизких температурах, что требует создания громоздких криогенных комплексов.
Ученые из Лаборатории Джефферсона предложили наносить на ниобиевые резонаторы тонкий слой олова. Покрытие из станида триниобия позволяет системе работать при более высоких температурах, открывая путь к замене криогенного оборудования на стандартные коммерческие системы охлаждения. Усовершенствованные резонаторы создаются на базе конструкции источника нейтронов скалывания. Испытания новых компонентов пройдут совместно со специалистами Оук-Риджской национальной лаборатории. Одновременно инженеры разрабатывают геометрию резонатора спицевого типа для повышения эффективности системы.
Второе направление исследований сфокусировано на источнике питания для ускорителя, генерация луча в котором требует больших энергозатрат. В качестве альтернативы рассматривается использование усовершенствованных магнетронов – технологии, применяемой в бытовых микроволновых печах. Техническая задача на данном этапе сводится к точной синхронизации их мощности с рабочей частотой ускорителя в 805 мегагерц.
К разработкам на ранней стадии привлечены промышленные партнеры, среди которых компании Stellant Systems, General Atomics и RadiaBeam. Их участие должно ускорить перевод технологии из стадии лабораторных экспериментов в фазу коммерческого использования.
