Джедайские технологии для борьбы с ядерными отходами

Лауреат Нобелевской премии по физике Жерар Муру предложил использовать лазеры для борьбы с ядерными отходами. Новый подход обещает сократить жизнь РАО до 30 минут. Есть ли будущее у такой технологии или это лишь красивая теория? Давайте разбираться.

Согласно отчету американо-японского ядерного альянса GE Hitachi, в 2015 году на размещение и обращение с ядерными отходами Европа потратила 51 млрд долларов, США — ​31 млрд долларов, Япония — ​28 млрд долларов. В отчете нет данных по России, Китаю и Индии, но суммы там, скорее всего, сопоставимые.

Ядерные отходы можно дезактивировать двумя способами — ​либо выдержать их несколько тысяч лет, либо выделить нестабильные изотопы, например дожечь в реакторах. С этой задачей смогут справиться быстрые реакторы вроде БРЕСТ-ОД‑300, который сооружается в Северске (Томская область), или перспективные жидкосолевые реакторы. Некоторые ученые предлагают избавляться от РАО экстравагантными, на первый взгляд, способами: вывезти на необитаемый остров, отправить в космос или обстрелять лазером. В поддержку лазера и выступил Жерар Муру.

Период полураспада урана‑235 составляет 0,7 млрд лет, плутония‑239 — ​около 24 тыс. лет. Муру уверен: лазер может сократить их периоды полураспада до 30 минут. Для этого ученый предлагает использовать импульсы длиной до 1 аттосекунды — ​это временной интервал в 1 квинтиллионную секунды. Аттосекунда относится к секунде как секунда к примерно 31,71 млрд лет. Физик считает, что если ускорить атомные процессы в лазере, то его можно будет использовать для переработки ядерных отходов — ​разрушать их на атомарном уровне. Идея простая и очень изящная: лазером можно выбить из ядра нейтроны и превратить тем самым атом радиоактивного вещества в другой, стабильный. По словам Муру, ядерные отходы можно сделать настолько безопасными, что их можно будет держать в руках.

О применении лазеров для обращения с РАО задумались еще в 1999 году, когда ученые в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в США впервые наблюдали индуцированное лазером деление ядер в уране‑238. В том же году команда из Университета им. Фридриха Шиллера в Йене (Германия) запустила фотоиндуцированное деление в уране‑238 и тории‑232. Четырьмя годами позднее немецкая и британская исследовательские группы из Университета Стратклайда (Шотландия) осуществили трансмутацию с помощью лазера Vulcan. Они превратили йод‑129 в йод‑128, период полураспада первого — ​15,7 млн лет, второго — ​25 минут. Vulcan генерировал короткие импульсы огромной мощности — ​миллион миллиардов ваттов. Лазерный луч ионизировал тонкую золотую мишень до состояния плазменного облака и разгонял электроны плазмы. Они выбивали из золотой мишени вторичные гамма-лучи, а гамма-лучи, в свою очередь, выбивали нейтроны из йода‑129 и превращали его в йод‑128.

Нужны лазеры помощнее

Но если это так просто, почему мы до сих пор не превратили все РАО во что-нибудь нерадиоактивное?

Первая проблема — ​отсутствие теоретической базы. Нужны расчеты, которые подтвердят возможность образования стабильных изотопов после лазерной бомбардировки радиоактивных.

Вторая проблема — ​в мире до сих пор нет достаточно мощного лазера. Чтобы превратить, к примеру, молибден‑100 в молибден‑99, нужна энергия кванта 8 ,3 МэВ, а современные лазеры такой энергии пока дать не могут. Для получения высокоэнергетичных квантов в Германии построили лазер на свободных электронах XFEL длиной 3,5 км, но даже он не дает энергию квантов выше 25  кэВ.

«При таких энергиях квантов единственной фотоядерной реакцией является ядерная резонансная флуоресценция, используемая в методах гамма-спектроскопии и не приводящая к делению. Так что для того, чтобы научиться расщеплять ядра лазером, нужно произвести революцию в нашем понимании физики взаимодействия фотонов с ядрами», — ​отмечает Алексей Якушкин, научный сотрудник отделения инновационных прикладных исследований ТРИНИТИ.

Третья проблема — ​процесс лазерной бомбардировки требует много электроэнергии.

Например, для трансмутации 46 г йода‑129 нужно 1017 вспышек Vulcan.

«Необходимо превратить энергию электронов в энергию квантов. Процесс этот очень энергозатратный: у него низкий КПД из-за низкого сечения реакции», — ​добавляет Якушкин. По сути, чтобы избавиться от отходов одной электростанции, нужно построить несколько новых.

Российские разработки

Возможности лазеров в переработке ОЯТ занимают и наших ученых. В Томском политехническом университете недавно предложили иммобилизовать отходы переработки облученного топлива и извлекать из них ценные металлы с помощью низкотемпературной плазмы. Например, из 1 т ОЯТ можно получить до 2 кг рутения, до 1,5 кг палладия и до 0,5 кг родия.

Другой метод предлагают специалисты из ТРИНИТИ, Курчатовского института и Института спектроскопии РАН. Они разработали технологию разделения изотопов на базе газоразрядных лазеров на диоксиде углерода. Чтобы резонансно расщепить нестабильное ядро тяжелого изотопа, необходима энергия 10 МэВ, а чтобы его резонансно выбить из какой-нибудь газовой смеси — ​0,1 эВ. Если обстреливать лазерами ядерные отходы в газовой фазе, можно удалить практически все нестабильные изотопы. Физика процесса заключается в том, что все изотопы имеют разные линии резонансного фотовозбуждения, и, точно настраивая в лазере энергию квантов, можно выбивать из отходов изотопы.

В Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) разрабатывается лазер XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies) мощностью до 200 петаваттов, а в перспективе — ​до 1 экзаватта. Это более чем на два порядка выше, чем у сегодняшнего рекордсмена — шанхайского SULF мощностью 5,4 петаватта. XCELS, кстати, включен правительством России в число мегасайенс-проектов для реализации до 2025 года. В лазере используется разработанная институтом совместно с ВНИИЭФ технология параметрического усиления чирпированных (последовательно растянутых) импульсов. Метод позволяет получить меньшую длительность импульса и достичь петаваттной мощности. Специалисты саровского ядерного центра готовы помочь коллегам из РАН в проекте XCELS. «Мы можем использовать свои разработки и конструкторские решения, полученные при создании 192-канального лазера мегаджоульного класса», — ​отмечает Сергей Бельков, заместитель начальника Института лазерно-физических исследований ВНИИЭФ, начальник научно-исследовательского отделения.