7 Minute
Context: De ce contează tritiul pentru fuziune
Fuziunea nucleară — procesul de combinare a nucleelor atomice ușoare pentru a elibera energie — este privită pe scară largă ca o sursă potențială de electricitate abundentă și cu emisii reduse de carbon. Dintre reacțiile propuse pentru fuziune, reacția deuteriu–tritiu (D–T) este cea mai accesibilă pentru primele centrale comerciale deoarece necesită temperaturi și aport energetic mai mici decât alte căi de fuziune. Tritiu, un izotop radioactiv al hidrogenului, este combustibilul necesar pentru fuziunea D–T, dar este rar, scump de produs și se degradează cu o perioadă de înjumătățire de aproximativ 12,3 ani (aproximativ 5,5% pierdere pe an în depozite mari).
Terence Tarnowsky, fizician la Los Alamos National Laboratory, a prezentat la reuniunea de toamnă a American Chemical Society o propunere care sugerează că tritiul ar putea fi generat din materiale deja prezente în combustibilul nuclear uzat. Conceptul său urmărește convertirea unor componente ale deșeurilor nucleare cu durată lungă de viață în combustibil util pentru fuziune, folosind tehnici de iradiere ţintită și accelerate de particule. Dacă este fezabil și economic, abordarea ar putea răspunde la două provocări strategice pentru dezvoltarea fuziunii: aprovizionarea cu combustibil și gestionarea pe termen lung a combustibilului uzat.
Metoda propusă: producerea tritiului din combustibil nuclear uzat
Centralele nucleare convenționale funcționează prin fisiune, prin fragmentarea nucleelor grele precum uraniul pentru a elibera energie. Rezultatul este combustibilul nuclear uzat, care conține uraniu și plutoniu rezidual, plus un amestec de produși de fisiune și izotopi radioactivi ce rămân periculoși de la decenii până la milioane de ani. Tarnowsky propune utilizarea unui accelerator de particule pentru a induce reacții de transmutare în aceste deșeuri, producând tritiu ca produs secundar.
Cum ar funcționa (prezentare generală)
- Un accelerator de particule sau o sursă similară injectează particule de energie înaltă (protoni, neutroni sau electroni) în combustibilul uzat prelucrat sau în fracțiuni specifice ale deșeurilor.
- Interacțiunile produc reacții nucleare (spalare și transmutare) care convertesc izotopii existenți în alți nuclee, conducând în final la generarea unei cantități de tritiu.
- Tritiul este separat chimic și recuperat pentru utilizare ca combustibil de fuziune; materialul rămas rămâne radioactiv și trebuie în continuare gestionat.
Tarnowsky subliniază că fundamentele fizicii transmutării sunt bine înțelese și că progresele recente în tehnologia acceleratoarelor și a materialelor ar putea face procesul semnificativ mai eficient decât conceptele mai vechi.
Performanță, costuri și implicații practice
În estimări preliminare, Tarnowsky calculează că un aport energetic de ordinul unui gigawatt-an (un nivel operațional mare, cu costuri de capital și electricitate care ar putea ajunge la zeci de milioane de dolari anual) ar putea genera aproximativ 2 kilograme (4,4 lire) de tritiu pe an. Acea masă de tritiu, dacă este consumată în reactoare de fuziune, ar putea furniza electricitate suficientă pentru zeci de mii de gospodării din SUA timp de un an — ilustrând densitatea energetică ridicată a combustibilului de fuziune.
Rezervele actuale de tritiu din SUA sunt limitate și scumpe: estimările pieței și ale guvernului situează costul în jur de 15 milioane USD pe liră (aproximativ 33 milioane USD pe kilogram). Conversia combustibilului uzat, deținut de guvern și abundent, în tritiu ar putea fi astfel atât o soluție strategică de aprovizionare, cât și o modalitate de a adăuga valoare stocurilor radioactive existente.
Totuși, există avertismente esențiale. Procesul propus nu elimină radioactivitatea pe termen lung: materialul rezidual după producția de tritiu va rămâne periculos și va necesita depozitare sau eliminare sigură. Vor fi necesare evaluări de reglementare, securitate și mediu, iar economia depinde puternic de costurile operaționale, investițiile în acceleratoare și tehnologia de separare.
Provocări tehnice și de reglementare
Mai multe provocări semnificative trebuie abordate înainte ca această abordare să poată fi implementată la scară:
- Demonstrație inginerească: Este necesară o instalație pilot pentru a demonstra că acceleratoarele pot transmute combustibilul uzat eficient și la costuri acceptabile.
- Manipularea deșeurilor și siguranța: Procesarea combustibilului uzat pentru a permite iradierea și separarea chimică implică protecții radiologice complexe și garanții pentru a preveni eliberările în mediu.
- Proliferare și politici: Orice proces care implică materiale ce conțin plutoniu va necesita supraveghere riguroasă pentru a preveni deturnarea sau utilizarea necorespunzătoare.
- Economia: Valoarea economică a tritiului trebuie să compenseze costurile de capital și operaționale. Îmbunătățirile în eficiența acceleratoarelor și chimia separării sunt critice.
Perspective ale experților
Dr. Maya Singh, o fiziciană în plasmă și analistă a sistemelor energetice (personaj fictiv), comentează: "Redirecționarea combustibilului nuclear uzat pentru producția de tritiu este o idee imaginativă pentru a aborda simultan două probleme strategice — aprovizionarea cu combustibil pentru primele implementări ale fuziunii și gestionarea inventarelor radioactive. Fizica este plauzibilă, dar adevăratul test este ingineria sistemelor: cum să faci asta în siguranță, la costuri rezonabile și în cadrul unor reglementări stricte. Dacă aceste obstacole pot fi depășite printr-un program pilot, conceptul merită atenție serioasă pe măsură ce fuziunea trece de la cercetare către comercializare."
Implicații mai largi și tehnologii conexe
Dacă este realizabilă, producția de tritiu din combustibilul uzat ar putea modifica economia și calendarul de implementare pentru reactoarele D–T, ar putea reduce necesitatea unor reactoare construite special pentru producerea tritiului și ar putea valorifica stocurile de deșeuri deținute de guvern. Progrese conexe care ar crește fezabilitatea includ acceleratoare de particule mai eficiente, procese îmbunătățite de separare și prelucrare chimică pentru recuperarea tritiului și strategii integrate de gestionare a deșeurilor care să co-locheze producția cu depozitarea securizată.
Cu toate acestea, însăși fuziunea se confruntă în continuare cu provocarea științifică centrală a aprinderii: realizarea unei arderi de fuziune auto-susținute care produce energie netă la scară comercială. Aprovizionarea cu combustibil este doar una dintre probleme; proiectarea unei centrale de fuziune robuste și accesibile rămâne o provocare multidisciplinară care cuprinde fizica plasmei, știința materialelor și ingineria sistemelor.
Concluzie
Recoltarea tritiului din combustibilul nuclear uzat prin transmutare condusă de acceleratoare este o idee promițătoare care ar putea atenua un blocaj major pentru primele centrale de fuziune, în timp ce extrage valoare din inventarele radioactive existente. Abordarea nu elimină necesitatea gestionării pe termen lung a deșeurilor și se confruntă cu obstacole tehnice, economice și de reglementare care cer proiecte demonstrative și studii detaliate. Pe măsură ce cercetarea în fuziune avansează, strategii flexibile pentru producția de combustibil — inclusiv opțiuni care refolosesc fluxurile actuale de deșeuri — ar putea juca un rol important în facilitarea implementării practice a energiei de fuziune cu emisii reduse de carbon.
Sursa: livescience
Comentarii