Лазер технологиясының ядролық реакторларға отын алу саласындағы мүмкіндіктері

Кентукки штатының Падьюка қаласы маңындағы ядриялық байыту фабрикасының жабылуынан кейін оны қоршаған мыңдаған цистерналарда уран қалдықтары жиналып қалды. Сол қалдықтарды қайта өңдеуде лазерлер көмегі тиюі ықтимал. Global Laser Enrichment (GLE) компаниясы лазерлік байыту әдісін іске асыруға бағытталған. Бұл технология дәстүрлі байыту әдістерінен тиімдірек болу мүмкіндігіне ие және қалдық материалды жаңартып, табиғи кен көзінен алынған уранмен тең концентрацияда отын шикізатын өндіруге мүмкіндік береді.

Кіріспе

Ядролық энергетика бүгінгі күнде әлемдегі электр қуатының шамамен 9 пайызын қамтамасыз етеді. АҚШ пен Қытай сияқты алпауыт елдер жаңа реакторлар, оның ішінде келесі буын технологияларына негізделген реакторлар салуды жоспарлайды. Мұндай жобалардың табысты іске асуы үшін отын алу үдерісінің тиімді әрі үнемді болуы аса маңызды. Бұл тұрғыдан лазерлік байыту әдісі отын қорын толықтырудың жаңа мүмкіндіктерін ашуы ықтимал.

Негізгі түсіндірме

Табиғи түрде кездесетін уран негізінен уран-238 (99 пайыздан астам) және уран-235 (шамамен 0,7 пайыз) изотоптарынан тұрады. Уран-235 – бөлінетін (фиссионды) изотоп, ол баяу нейтрондармен өзара әрекеттесіп, тізбекті ядролық реакцияны қамтамасыз ете алады. Сондықтан реакторларда уран-235 концентрациясы жоғары материал қолданады. Қазіргі заманғы реакторларда әдетте уран 5 пайызға дейін байытылады, ал кейбір жетілдірілген реакторлар үшін бұл көрсеткіш 20 пайызға дейін жетеді.

Дәстүрлі әдіс – центрифугаларды пайдалану. Бұл технологияда уран құрамындағы изотоптары бар материал аса күрт айналады, ауыр заттар шетке шығып, жеңіл материал орталықта қалады. Осылайша уран-235 байытылған отынға айырбасталады.

Ал лазерлік байыту негізі – молекулалардың атомдық деңгейде өзіне тән діріл мен айналысынан туындайтын ерекше қасиеттерге сүйенеді. Бірдей элементтің әр түрлі изотоптары да өзіндік «саусақ ізіне» ие. Лазер сәулесі дәлме-дәл бір материалға бағытталады, мысалы, уран-235 бар молекулаларды қоздырады. Бұл физикалық немесе химиялық әдістермен ізделген материалды оңайырақ бөлуге мүмкіндік береді.

Контекст және мысалдар

Мәліметтер компанияның технологиясы құпия болғандықтан, нақты процесстің сипаттамасы жарияланбайды. Бірақ зерттеушілердің айтуынша, лазерлер бұрын тиімді емес және күрделі болғанымен, соңғы жылдары айтарлықтай жетілдірілді. Бұл лазерлік байытудың тартымдылығын арттырды.

Геосаяси жағдай да өзгереді. Ресей әлемдегі ең ірі уран байыту экологиялық жүйесіне ие әрі нарықты басым бақылаған. Украинадағы соғыстан кейін АҚШ пен Ұлыбритания Ресейден уран импортын шектеді, бұл жаңа технологияларды қолданатын өндірістердің салада пайда болуына жол ашты. Мысалы, LIS Technologies 2023 жылы құрылған және Теннесси штатындағы Oak Ridge қаласында 200 акр жер сатып алды. Компания табиғи уранды 5 пайызға дейін байытуға ниетті, әрі болашақта жоғары концентрациялы отынды өндіруді жоспарлайды.

GLE компаниясы өзінің лазерлік байыту технологиясын дәстүрлі кеннен гөрі бұрынғы қалдықтарды қайта өңдеуде пайдалануды көздейді. АҚШ Энергетика министрлігімен жасалған келісім аясында олар Падьюкадағы бұрынғы байыту фабрикасының қалдықтарын өңдей алады. Осы қалдықтардағы уран-235 концентрациясы 0,25 пайыздан бастап 0,7 пайызға дейін өсіріліп, содан келесі өңдеуге жіберіледі. Бұл материал табиғи кенді алмастырады.

Практикалық маңызы

GLE әдісімен әрбір лазерлік бірлік центрифугаға қарағанда күрделірек және қымбатырақ болса да, бірдей көлемде байыту үшін оларға аз құрал қажет. Яғни, мыңдаған центрифуга орнына мың бірлік лазерлік аппарат жеткілікті. Бұл бастапқы инвестицияны азайтып, энергия тұтынуды төмендетудің нәтижесінде операциялық шығындарды кемітеді.

Компанияның Оңтүстік Каролинадағы сынақ алаңында 2025 жылы бірнеше жүз килограмм уран өңделді. Қазіргі уақытта құрылғыны жаңадан жасап, коммерциялық көлемде міндеттерді көрсетуге дайындық жүргізілуде. Падьюка қаласында ұсынылған зауыттың қауіпсіздік лицензиясы 2027 жылы беріледі деп күтілуде және 2030 жылы өндіріс басталмақ.

Жер шарында уранға мол ресурс бар, ол реакторларды жылдар бойы жұмыс істетуге мүмкіндік береді. Дегенмен ядролық энергетикаға сұраныс пен геосаяси ойындардың нәтижесінде жанама отын көздеріне сұраныс артып, нарықтағы дағдарыстар мен баға өзгерістерін тұрақтандыруға көмектеседі. Лазерлік байыту зауыттары дәстүрлі технологияларға қарағанда үнемді әрі тиімді болуы мүмкін.

Қорытынды

Лазерлік байыту технологиясы уран отынын қайта өңдеуде және ядролық энергетиканы дамытуда жаңаша мүмкіндіктер ашуда. Бұл әдіс өндіріс шығындарын азайтып, бұрынғы қалдықтарды тиімді пайдалануға жол ашады. Ғылыми даму мен геосаяси өзгерістер лазерлік байыту технологиясының ядролық энергия саласындағы рөлін арттыруға ықпал етеді. Дегенмен жаңа технологияны кеңінен енгізу үшін оның қауіпсіздігі мен тиімділігі толық сынақтан өтуі қажет.

TAGS: лазерлік байыту, уран, ядролық отын, ядролық энергетика, уран қалдықтары, энергия тиімділігі, Global Laser Enrichment

Дереккөз: MIT Technology Review