От 100 000 лет до 300: ускорители против ядерных отходов

Число, которое меняет всё

Сто тысяч лет. Столько остаются опасными самые проблемные компоненты отработавшего ядерного топлива — срок, превышающий всю историю человеческой цивилизации. Теперь команда из Национальной ускорительной лаборатории Томаса Джефферсона (США) утверждает, что может сократить это число до 300 лет — снижение на 99,7% — и попутно генерировать безуглеродную электроэнергию из тех самых отходов, которые они уничтожают.

Почему ядерные отходы — такая головная боль

Атомная энергетика обеспечивает около 10% мирового производства электричества при почти нулевых выбросах углерода. Но каждый реактор оставляет после себя отработавшее топливо, содержащее коктейль интенсивно радиоактивных изотопов. Короткоживущие распадаются за десятилетия, но горстка долгоживущих продуктов деления (ДЛПД) и минорных актинидов сохраняет активность геологически долго:

Изотоп	Период полураспада	Проблема
Tc-99	211 000 лет	Подвижен в грунтовых водах
I-129	15,7 млн лет	Биоаккумулируется в щитовидной железе
Cs-135	2,3 млн лет	Химически активен
Zr-93	1,5 млн лет	Структурные отходы
Se-79	327 000 лет	Образует летучие соединения
Sn-126	230 000 лет	Высокое гамма-излучение

Нынешний лучший план человечества? Закопать всё это глубоко под землёй в геологических хранилищах вроде финского Онкало или предложенной горы Юкка в США и надеяться, что порода продержится сотни тысячелетий. Страны потратили миллиарды на этот подход, но ни одно постоянное хранилище для высокоактивных отходов нигде в мире пока не работает.

Трансмутация — превращение одного химического элемента в другой путём изменения числа протонов или нейтронов в ядре. В контексте ядерных отходов это означает превращение долгоживущих радиоактивных изотопов в короткоживущие или стабильные при помощи нейтронного облучения.

Ускорительно-управляемая система: как это работает

Концепция ADS (Accelerator-Driven System) элегантна в своей дерзости: вместо пассивного ожидания распада опасных изотопов — активно их уничтожать, бомбардируя нейтронами.

Вот как это работает шаг за шагом:

1. Ускорение — мощный линейный ускоритель разгоняет пучок протонов до энергий в сотни МэВ.
2. Спалляция — протонный пучок врезается в мишень из тяжёлого металла (жидкая ртуть, свинец или обеднённый уран). Удар «выбивает» десятки нейтронов из каждого ядра мишени — процесс, называемый спалляцией.
3. Трансмутация — поток быстрых нейтронов обрушивается на окружающий бланкет с ядерными отходами, разбивая долгоживущие актиниды и продукты деления на более короткоживущие или стабильные изотопы.
4. Генерация энергии — реакции деления и трансмутации выделяют колоссальное количество тепла, которое приводит в действие обычную паровую турбину для выработки электричества.

Ключевая особенность безопасности: реакторное ядро подкритично — оно не может самостоятельно поддерживать цепную реакцию. Отключите пучок ускорителя — и реакция прекращается за миллисекунды. Чернобыльский сценарий физически невозможен.

Программа NEWTON: от лаборатории к электросетям

В феврале 2026 года Jefferson Lab объявила о двух проектах, финансируемых программой Министерства энергетики США NEWTON (Nuclear Energy Waste Transmutation Optimized Now), с бюджетом $8,17 млн. Цель амбициозна: сделать технологию ADS достаточно практичной, чтобы переработать весь запас коммерческого ядерного топлива США за 30 лет.

Команда под руководством главного исследователя Ронгли Генга решает две ключевые инженерные проблемы:

Ниобий-оловянные сверхпроводящие резонаторы

Традиционные сверхпроводящие резонаторы ускорителя требуют охлаждения жидким гелием до ~2 К (−271 °C) — это чрезвычайно дорого. Jefferson Lab разрабатывает резонаторы с покрытием из Nb₃Sn (ниобий-олово), работающие при более высоких температурах (~4,2 К), что позволяет использовать дешёвые коммерческие криокулеры вместо гигантских заказных криогенных установок.

Мощные магнетроны

Протонному пучку нужно около 10 мегаватт ВЧ-мощности. Команда адаптирует магнетроны — да, ту же технологию, что внутри вашей микроволновки — для подачи этой мощности на частоте ровно 805 МГц. Совместно со Stellant Systems создаются прототипы, которые можно объединять для достижения необходимых уровней мощности с максимальной эффективностью.

Промышленные партнёры RadiaBeam и General Atomics вовлечены с самого начала, обеспечивая быстрый переход технологии из лаборатории в производство.

Что показывает наука

Недавнее исследование MIT (Tukharyan et al., октябрь 2025) представляет наиболее детальный вычислительный анализ спалляционной трансмутации для шести ключевых долгоживущих продуктов деления.

Ключевые результаты:

• Технеций-99: уничтожается на >95% за 5 лет — самый экономически выгодный кандидат
• Йод-129: трансмутация почти на 100% — отличный результат
• Селен-79: ~95% уничтожения — высокоэффективно
• Олово-126: ~75% снижения — частичное, но значительное
• Цезий-135: ~60–80% — ограничен конкурирующими реакциями с лёгкими изотопами
• Цирконий-93: лишь ~40% — практически «прозрачен» для нейтронов, сложнее всего для переработки

Выбор материала спалляционной мишени тоже играет значительную роль:

Мишень из обеднённого урана даёт примерно на 50% больше нейтронов, чем свинцовая, ускоряя трансмутацию — но ценой генерации собственных продуктов деления. Оптимальный выбор зависит от конкретного состава перерабатываемых отходов.

Критический взгляд

Сильные стороны

• Неотъемлемая безопасность: подкритический дизайн исключает неуправляемую цепную реакцию
• Двойное назначение: уничтожает отходы И генерирует электричество — не что-то одно
• Проверенная физика: спалляция и трансмутация хорошо изучены; это инженерный вызов, а не вопрос фундаментальной науки
• Политический потенциал: может обезвредить самый мощный аргумент против расширения атомной энергетики

Ограничения

• Рабочего прототипа пока нет: ADS обсуждается уже 40+ лет; демонстратор MYRRHA в Бельгии всё ещё строится
• Неопределённость стоимости: грант NEWTON в $8,17 млн финансирует НИОКР, а не реактор. Полномасштабная ADS-установка будет стоить миллиарды
• Неполное решение: цирконий-93 и цезий-135 сопротивляются эффективной трансмутации — геологическое хранение всё ещё нужно
• Надёжность ускорителя: коммерческой ADS нужна бесперебойная работа пучка >95% времени; ни один протонный ускоритель пока не продемонстрировал этого на необходимой мощности
• Французы это уже делали: Суперфеникс, быстрый реактор-размножитель на 1200 МВт, мог сжигать актиниды без всякого ускорителя. Его закрыли в 1997 по политическим, а не техническим причинам

Открытые вопросы

• Смогут ли Nb₃Sn-резонаторы обеспечить нужный ток и надёжность для непрерывной промышленной эксплуатации?
• Как стоимость ADS соотносится с простым строительством дополнительных геологических хранилищ?
• Могут ли быстрые реакторы нового поколения (российский БН-800 или китайский CFR-600) достичь аналогичных целей трансмутации дешевле?

Что дальше

Программа NEWTON нацелена на 30-летний горизонт переработки ~90 000 метрических тонн коммерческого отработавшего топлива Америки. Но ближайшие вехи скромнее:

• 2026–2028: демонстрация характеристик Nb₃Sn-резонаторов и прототипов мощных магнетронов
• Конец 2020-х: полномасштабные испытания компонентов ускорителя
• 2030-е: валидация проекта пилотной ADS-установки
• 2035+: возможное строительство демонстрационной станции

Тем временем европейский проект MYRRHA в Бельгии стремится стать первым в мире действующим ADS-демонстратором, а китайская программа CiADS уверенно продвигается с собственным свинцово-висмутовым подкритическим реактором.

Технологическая гонка реальна. Вопрос не в том, работает ли ускорительная трансмутация — она работает. Вопрос в том, вложит ли человечество достаточно средств, чтобы сделать её практичной, прежде чем мы закопаем проблему под землю и перестанем о ней думать.

FAQ

Может ли ADS полностью устранить необходимость в геологических хранилищах отходов? Нет. Даже с трансмутацией некоторые продукты (особенно цирконий-93 и короткоживущие продукты деления) всё ещё требуют хранения. Однако ADS может уменьшить необходимый объём хранилища в 100 раз и сократить срок хранения со 100 000 лет до нескольких столетий.

Это то же самое, что ядерный реактор? Не совсем. Обычный реактор поддерживает собственную цепную реакцию (он «критический»). ADS намеренно подкритична — ей нужен внешний пучок ускорителя для поддержания нейтронного потока. Отключите пучок — и реакции почти мгновенно прекращаются, что делает систему неотъемлемо более безопасной.

Почему не использовать просто быстрые реакторы-размножители? Быстрые реакторы могут трансмутировать некоторые актиниды, но плохо справляются с самыми проблемными долгоживущими продуктами деления. ADS обеспечивает гораздо более высокий поток нейтронов через спалляцию, позволяя трансмутировать изотопы, которые быстрые реакторы не могут эффективно переработать. На практике оптимальное решение, вероятно, включает обе технологии, работающие вместе.

Сколько электричества может генерировать ADS-станция? Полномасштабная ADS-установка может производить несколько сотен мегаватт тепловой энергии. После вычитания мощности, потребляемой самим ускорителем (~10 МВт), чистая электрическая мощность в 100–300 МВт вполне реальна — сопоставимо с небольшой обычной электростанцией.

Когда заработает первая ADS-электростанция? Самые оптимистичные оценки указывают на середину 2030-х для демонстрационной установки. Коммерческое внедрение, если технология окажется экономически целесообразной, последует предположительно в 2040-х. Европейский проект MYRRHA и китайский CiADS сейчас ближе всего к рабочему состоянию.