Что, если бы был способ решить одно из наиболее значительных препятствий для использования ядерной энергии — утилизацию высокоактивных ядерных отходов (ВЯО)? Даурен Сарсенбаев, аспирант третьего курса факультета ядерных наук и инженерии (NSE) Массачусетского технологического института (MIT), занимается решением этой задачи в рамках своих исследований.
Сарсенбаев фокусируется на одной из основных проблем, связанных с ВЯО: выделении остаточного тепла радиоактивными отходами. Основная идея его решения — извлечение тепла из отработавшего топлива, что одновременно решает две задачи: получение дополнительной энергии из существующего безуглеродного ресурса и снижение проблем, связанных с хранением и обращением с ВЯО. «Ценность безуглеродной энергии продолжает расти с каждым годом, и мы хотим извлечь из неё как можно больше», — объясняет Сарсенбаев.
Значительный прогресс достигнут в области безопасного обращения и утилизации ВЯО, но могут быть и более творческие способы управления отходами или использования их в своих интересах. Такой шаг будет особенно важен для общественного признания ядерной энергии. «Мы переосмысливаем проблему ядерных отходов, превращая её из бремени в источник энергии», — говорит Сарсенбаев.
Нюансы ядерной энергетики
Сарсенбаеву пришлось немного переосмыслить своё восприятие ядерной энергии. Выросший в Алматы, крупнейшем городе Казахстана, Сарсенбаев испытал на себе коллективную травму, связанную с советскими ядерными испытаниями. Страна, когда-то входившая в состав Советского Союза, несёт на себе шрамы испытаний ядерного оружия, а Казахстан является крупнейшим в мире производителем урана. Трудно избавиться от коллективной психологии такого наследия.
В то же время Сарсенбаев видел, как Алматы зимой задыхается от тяжёлого смога из-за сжигания ископаемого топлива для обогрева. Стремясь внести свой вклад в ускорение процесса декарбонизации, Сарсенбаев поступил на учёбу по специальности «экологическая инженерия» в Казахстанско-Германском университете. Именно тогда Сарсенбаев понял, что практически каждый источник энергии, даже перспективные возобновляемые источники, имеет свои проблемы, и решил, что ядерная энергетика — это путь к надёжной низкоуглеродной энергии. «Я с детства подвергался воздействию загрязнения воздуха; горизонт был просто чёрным. Самым большим стимулом для меня в ядерной энергетике было то, что, если мы будем делать всё правильно, люди смогут дышать более чистым воздухом», — говорит Сарсенбаев.
Изучение транспорта радионуклидов
Часть «правильного обращения с ядерной энергией» включает в себя изучение — и надёжное прогнозирование — долгосрочного поведения радионуклидов в геологических хранилищах.
Сарсенбаев обнаружил интерес к изучению управления ядерными отходами во время стажировки в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, будучи студентом-бакалавром. В Беркли Сарсенбаев сосредоточился на моделировании транспорта радионуклидов из системы барьеров хранилища ядерных отходов в окружающую породу. Он обнаружил, как использовать инструменты для прогнозирования долгосрочного поведения. «Будучи студентом, я был действительно очарован тем, как далеко в будущее можно заглянуть. Это похоже на предвидение того, с чем столкнутся будущие поколения», — говорит Сарсенбаев.
Фокус докторских исследований
Сарсенбаев использует свои знания в области моделирования в своей основной докторской работе — в оценке потенциала отработавшего ядерного топлива как антропогенного геотермального источника энергии. «На самом деле геотермальное тепло во многом обусловлено естественным распадом радиоизотопов в земной коре, поэтому использование остаточного тепла отработавшего топлива концептуально схоже», — говорит он. Контейнер ядерных отходов может генерировать, по консервативным оценкам, энергию, эквивалентную 1000 квадратных метрам (чуть меньше четверти акра) солнечных панелей.
Поскольку потенциал тепла из контейнера значителен — типичный контейнер (в зависимости от того, как долго он охлаждался в бассейне отработавшего топлива) имеет температуру около 150 градусов Цельсия, — но не огромен, извлечение тепла из этого источника осуществляется с помощью процесса, называемого бинарной циклической системой. В такой системе тепло извлекается косвенно: контейнер нагревает замкнутый водяной контур, который, в свою очередь, передаёт это тепло вторичному низкокипящему теплоносителю, который приводит в движение турбину.
Работа Сарсенбаева разрабатывает концептуальную модель бинарной геотермальной системы, работающей на тепле от высокоактивных радиоактивных отходов. Ранние результаты моделирования были опубликованы и выглядят многообещающе. Хотя потенциал такой добычи энергии находится на стадии доказательства концепции в моделировании, Сарсенбаев надеется, что она найдёт успех при переводе в практику. «Превращение бремени в источник энергии — это то, чего мы хотим, и это решение предлагает именно это», — говорит он.
1. Какие основные проблемы решает Даурен Сарсенбаев в своих исследованиях?
Ответ: Даурен Сарсенбаев занимается решением проблемы утилизации высокоактивных ядерных отходов (ВЯО), в частности, выделением остаточного тепла радиоактивными отходами. Его идея заключается в извлечении тепла из отработавшего топлива, что позволит одновременно получать дополнительную энергию и снижать проблемы, связанные с хранением и обращением с ВЯО.
2. Почему работа Сарсенбаева важна для общественного признания ядерной энергии?
Ответ: Работа Сарсенбаева важна, поскольку предлагает новый подход к управлению ядерными отходами — их использование в качестве источника энергии. Это может изменить восприятие ядерной энергии обществом, превратив проблему ядерных отходов из бремени в источник дополнительной энергии.
3. Какие методы и инструменты использует Сарсенбаев для прогнозирования долгосрочного поведения радионуклидов?
Ответ: Сарсенбаев использует методы моделирования для прогнозирования долгосрочного поведения радионуклидов в геологических хранилищах. Во время стажировки в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли он сосредоточился на моделировании транспорта радионуклидов из системы барьеров хранилища ядерных отходов в окружающую породу.
4. Как Сарсенбаев оценивает потенциал отработавшего ядерного топлива как источника энергии?
Ответ: Сарсенбаев оценивает потенциал отработавшего ядерного топлива как антропогенного геотермального источника энергии. Он разрабатывает концептуальную модель бинарной геотермальной системы, работающей на тепле от высокоактивных радиоактивных отходов. Ранние результаты моделирования выглядят многообещающе, хотя потенциал такой добычи энергии находится на стадии доказательства концепции в моделировании.
5. Какие технологии используются для извлечения тепла из контейнеров с ядерными отходами?
Ответ: Для извлечения тепла из контейнеров с ядерными отходами используется бинарная циклическая система. В такой системе тепло извлекается косвенно: контейнер нагревает замкнутый водяной контур, который, в свою очередь, передаёт это тепло вторичному низкокипящему теплоносителю, который приводит в движение турбину.