В процессе работы АЭС образуются трансурановые отходы, состоящие из долгоживущих радиоактивных элементов. Это наипервейшая головная боль поборников защиты природы, негативно относящихся к ядерной энергетике. Ведь в остальном — полная красота: нет выбросов парниковых газов и прочей "гадости". Про опасность аварии нужно говорить отдельно (есть любопытные проекты). Но вот отработанное топливо...

Ни одно из решений, как грамотно поступать с отходами от работы ядерных реакторов (а самые массовые — это легководные, на тепловых нейтронах), не является идеальным. Любить природу — сложно. И что ещё хуже — дорого.

Желаете выбросить? Стройте надёжные хранилища, рассчитанные не на века — на тысячелетия. Вроде того, что намечается возвести в США под горой Юкка. Там не просто сеть тоннелей — колоссальный набор автоматики, стены из титана и прочее в таком духе. А уж в какие многослойные "матрёшки" из сверхстойких сплавов предлагается упаковывать облучённое топливо, так любо-дорого посмотреть. Кстати, дорого — не то слово. Цена вопроса — десятки миллиардов долларов. И это только на постройку сооружения.

Хотя ITER является исследовательским реактором ядерного синтеза, он первым должен показать осуществимость промышленных электростанций такого рода. Как видно по фигурке человечка внизу, установка эта – просто колосс. Сложность, стоимость и сроки строительства этого монстра – соответствующие. Когда синтез вытеснит обычную ядерную энергетику? (иллюстрация ITER)

Что ещё? Много лет учёные работают над превращением реакторов на быстрых нейтронах в сжигатели отработанного топлива с реакторов обычных. В этой стратегии много плюсов: общее количество опасных радиоактивных отходов, подлежащих всё же захоронению, резко снижается, а полнота использования природного урана — повышается радикально.

Такие реакторы (разного калибра и назначения) существуют не одно десятилетие, хотя их мало, в сравнении с реакторами на тепловых нейтронах. Есть и новые проекты такого типа (в России, в частности, данному направлению уделяется очень большое внимание). Но по-прежнему камнем преткновения является не физика, и даже не инженерное воплощение идей учёных (его следует признать более сложным, нежели у обычного реактора), а бухгалтерия.

Про экзотику вроде отправки отходов в космос или погружения их под земную кору сейчас, тем более, говорить рано. Ещё варианты?

По мнению группы учёных, возглавляемой Майком Котсченрейтером (Mike Kotschenreuther) из университета Техаса (University of Texas at Austin), лучшим решением будет подкритическая гибридная установка синтеза-распада.

В двух словах устроена она так. В центре — источник нейтронов, работающий на реакции синтеза — Compact Fusion Neutron Source (CFNS). "Одеяло" вокруг CFNS — это ядерный реактор, в который в качестве топлива помещаются трансурановые отходы классических легководяных АЭС.

Схема гибридной установки, придуманной в университете Техаса (иллюстрация M. Kotschenreuther et al.).

Отличие CFNS от других реакторов синтеза, созданных или разрабатываемых, — очень малые размеры, сочетающиеся, однако, с высокой мощностью (100 МВт) и, соответственно, очень плотным потоком нейтронов. По типу удерживающей плазму системы эта установка относится к токамакам, как и множество экспериментальных устройств в разных странах, как и флагманский международный реактор ITER, который должны построить во Франции (запуск намечен на 2016 год).

Но в деталях полно отличий. В частности, у техасцев придумана оригинальная конфигурация магнитных катушек.

Маленькое отступление. Для питания реакций ядерного синтеза можно применять разное горючее: дейтерий плюс тритий, дейтерий плюс гелий-3, дейтерий плюс дейтерий и так далее. Первый вариант проще всего осуществить. Требования к температуре, времени удержания и плотности плазмы тут самые низкие. Зато есть и недостаток — сильная нейтронная радиация, опасная для людей сама по себе, да к тому же приводящая к мощной наведённой радиоактивности в конструкциях реактора.

Потому физики мечтают об установках будущего, в которых будут использоваться дейтерий и гелий-3 (его огромные запасы имеются, к примеру, на Луне). Но до таких установок нужно ещё добраться. Потому даже гигант ITER будет использовать всё ту же пару дейтерий-тритий.

А вот Майк и его коллеги подходят к проблеме нейтронов с другой стороны. "Кто нам мешает, тот нам и поможет!" — восклицают они. И поясняют, что перед CFNS не будет стоять задача выработки дешёвой энергии. Этот реактор нужен всей установке лишь в роли поставщика сильнейшего потока нейтронов, которые будут бомбардировать отработанное ядерное топливо и тем самым ускорять в нём процесс трансмутации (превращения элементов).

В результате долгоживущие радиоактивные отходы, спрятанные во внешнем "одеяле" гибридного реактора, обратятся в более безопасные элементы.

Ключом к созданию токамака CFNS, а значит, и всего комплекса для трансмутации (Fusion–Fission Transmutation System – FFTS) является дивертор — деталь, воспринимающая поток частиц и излучения, исходящие от плазменного шнура, который висит в центре магнитной ловушки.

Специалисты университета Техаса разработали собственный его вариант, названный Super X. По способности переваривать без разрушения сильные потоки энергии от сердцевины реактора синтеза он превосходит аналоги впятеро. И именно это делает возможным построение FFTS: необычайно миниатюрной установки, которая в одиночку способна справиться с отработанным топливом от 10-15 легководяных реакторов обычных АЭС, сообщают исследователи в пресс-релизе университета.

Для работы всего ядерного энергетического комплекса авторы концепции предлагают ввести новый, разработанный ими топливный цикл. Он включает в себя несколько этапов переработки и повторного использования облучённого ядерного топлива. Исходные трансурановые элементы в отработанном топливе с АЭС (1) сначала попадают в сравнительно дешёвые ядерные легководные реакторы (2), где преобразуется 75% отходов (а именно те элементы, которые поддаются трансмутации при воздействии тепловых нейтронов). Потом уже это отработанное топливо "второго уровня" вновь перерабатывается (3) и превращается в горючее для тех самых гибридных установок (4), эксплуатирующих реакции синтеза и деления. В них пережигаются ещё 24% от изначальных ядерных отходов (теперь уже самые опасные долгоживущие элементы). И лишь 1% отработанного топлива на выходе комплекса (5) нуждается в геологическом захоронении (6) (иллюстрация Angela Wong).

Сочетание классических реакторов с гибридными FFTS, подсчитали американские специалисты, позволит решить проблему отработанного ядерного топлива не за столетия (как в случае с развитием индустрии перерабатывающих реакторов на быстрых нейтронах), а за десятилетия. При этом такой комплекс сможет уничтожать 99% трансурановых отходов АЭС.

В довершение к столь светлой перспективе, как уверяют авторы системы в своей статье в журнале Fusion Engineering and Design, комплекс FFTS с CFNS в качестве сердца окажется одновременно и дешевле, и эффективнее прочих установок для трансмутации, разрабатываемых ныне в рамках ряда проектов.

При этом Котсченрейтер и его коллеги рассматривают FFTS как промежуточный этап перехода человечества от ядерной к термоядерной энергетике, дополняемой альтернативной (солнце, ветер, волны).

А пока нет промышленных реакторов синтеза, способных дать ток потребителям, оставаясь конкурентоспособными по цене, следует получить максимум дивидендов с традиционных АЭС. Дивидендов в виде экологически чистой (в плане загрязнения атмосферы) энергии. А теперь ещё — и почти безотходной.

Тут надо отметить, что сама идея соединения в одном устройстве термоядерного и ядерного реакторов, дабы преобразовывать в нём отработанное топливо с АЭС, — далеко не нова. Но техасцы, как они считают, первыми показали путь к постройке такого гибрида-избавителя, который был бы осуществим с точки зрения как инженерии, так и экономики.

Дивертором Super X уже заинтересовались три научные группы в США и Британии, работающие над своими проектами токамаков. И если найдутся средства на продолжение исследований Котсченрейтера, следующими шагами учёных должны стать расширенное численное моделирование, инженерный проект и постройка прототипа FFTS.