Радиоактивные отходы атомных электростанций подлежат захоронению на несколько тысячелетий, прежде чем они прекратят излучать радиацию. Однако изотопное преобразование может нейтрализовать их и сделать в значительной степени безопасными, по крайней мере — принципиально менее опасными. Вакуумные насосы играют ключевую роль в этом процессе.
Изотопное преобразование вместо захоронения — перспективный подход к превращению высокорадиоактивных отходов в нерадиоактивный материал или, как минимум, возможность сократить период полураспада до приемлемых сроков. Одно из главных условий для этого процесса — вакуум.
Период полураспада продолжительностью до 15 миллионов лет
Около 1 % отработанных топливных стержней содержат опасные материалы, в том числе радиоактивный плутоний и другие высокорадиоактивные изотопы, период полураспада которых может доходить до 15 миллионов лет. Сегодня заводы по регенерации ядерного топлива уже перерабатывают плутоний и оставшийся расщепляющийся уран для производства новых топливных стержней. Остальные высокоопасные вещества ранее подлежали практически бессрочному захоронению. Однако существует возможность химически разделить их и подвергнуть физическому изменению (изотопному преобразованию).
Изотопное преобразование применяется в так называемой электроядерной установке (ЭЛЯУ). Ключевой элемент ЭЛЯУ — стометровый ускоритель частиц, в котором протоны разгоняются до скоростей, сравнимых со скоростью света. Во время этого процесса частицы не могут сталкиваться друг с другом. Поэтому специальные вакуумные насосы в установке создают сверхвысокий вакуум от 10–6 до 10–10 hPa.
Целевой распад
Протоны сталкиваются со смесью тяжелых металлов с огромной кинетической энергией, и их ядра разрываются. Это высвобождает нейтроны, которые также поражают частицы ядерных отходов с огромной энергией. Эта бомбардировка запускает множественные процессы распада в атомных ядрах радиоактивных изотопов. В значительной мере они преобразуются в устойчивые — нерадиоактивные — изотопы или в радиоактивные частицы со значительно меньшим периодом полураспада. За несколько циклов можно значительно сократить количество критических изотопов.
По сравнению с делением атомного ядра изотопное преобразование не может выйти из-под контроля. Если протонный пучок выключается, цепная реакция останавливается. В принципе, процесс все еще может генерировать больше энергии, чем необходимо. Над этим уже давно работают в лабораториях. Исследователи изучают ЭЛЯУ в промышленных масштабах с 1990-х годов. Ожидается, что первый прототип системы начнет работать в Японии в 2020 году. Далее, в 2023 году, ожидается начало работы в Моле (Бельгия). Завод по переработке радиоактивных отходов сможет каждый год обрабатывать высокорадиоактивные отходы десяти атомных электростанций. Проблема захоронения радиоактивных отходов наконец-то станет более контролируемой.
Нейтрализация радиоактивных отходов в вакууме
Изотопное преобразование может заменить могильники для захоронения радиоактивных отходов
Как перерабатываются тепловыделяющие элементы?
Отработанные топливные стержни содержат 95 % урана и 1 % плутония. Сначала их механически измельчают, а затем растворяют в азотной кислоте. Химические реакции разделяют уран, плутоний и другие оставшиеся материалы. Около 10 % урана можно повторно обогатить для использования в новых топливных стержнях. Плутоний также перерабатывается для ядерного топлива.
Однако после процесса переработки остается около 90 % отходов, которые содержат радиоактивные изотопы разных элементов — от мышьяка до тербия. Из этих радиоизотопов все же можно выделить небольшое количество материала для использования в качестве радиоактивного источника в медицинских и научных целях. Оставшиеся отходы последовательно разделяются на радиоактивный материал низкого, среднего и высокого уровней. Около 70 % составляют высокорадиоактивные отходы, а 1 % — это трудноудаляемые отходы, которые без изотопного преобразования в некоторых случаях подлежали бы захоронению на миллионы лет. Благодаря переработке удалось значительно сократить объем радиоактивных отходов, которые подлежат захоронению на несколько тысячелетий.
Отработанные топливные стержни содержат 95 % урана и 1 % плутония. Сначала их механически измельчают, а затем растворяют в азотной кислоте. Химические реакции разделяют уран, плутоний и другие оставшиеся материалы. Около 10 % урана можно повторно обогатить для использования в новых топливных стержнях. Плутоний также перерабатывается для ядерного топлива.
Однако после процесса переработки остается около 90 % отходов, которые содержат радиоактивные изотопы разных элементов — от мышьяка до тербия. Из этих радиоизотопов все же можно выделить небольшое количество материала для использования в качестве радиоактивного источника в медицинских и научных целях. Оставшиеся отходы последовательно разделяются на радиоактивный материал низкого, среднего и высокого уровней. Около 70 % составляют высокорадиоактивные отходы, а 1 % — это трудноудаляемые отходы, которые без изотопного преобразования в некоторых случаях подлежали бы захоронению на миллионы лет. Благодаря переработке удалось значительно сократить объем радиоактивных отходов, которые подлежат захоронению на несколько тысячелетий.