Ядерные отходы: источник чистой энергии?

Радиоактивные отходы остаются серьезной экологической проблемой из-за их длительной радиоактивности, которая может сохраняться тысячи лет. Однако новое исследование ученых из Университета Шарджи, опубликованное в журнале Nuclear Engineering and Design, предполагает, что ядерные отходы могут стать устойчивым источником для производства водорода в долгосрочной перспективе.

Водород сегодня признан перспективным экологически чистым энергоносителем, и ученые активно ищут новые способы его получения. Исследование рассматривает, как ядерные отходы, традиционно считающиеся проблемой, могут быть перепрофилированы для производства водорода в промышленных масштабах.

Объем ядерных отходов во всем мире неуклонно растет. С учетом различного уровня радиоактивности, по оценкам, на сегодняшний день в мире хранится более 4 миллионов кубических метров ядерных отходов.

«Использование ядерных отходов — это новаторский метод производства водорода, который превращает затянувшуюся экологическую проблему в полезный ресурс», — отмечают исследователи. — «Водород стал перспективным энергоносителем по мере роста глобальной потребности в устойчивых и чистых источниках энергии».

Оптимизм ученых в отношении преобразования ядерных отходов в водород основан на всестороннем обзоре доступных инновационных технологий, которые используют радиоактивность для расщепления молекул воды на водород и кислород без выбросов углекислого газа.

Исследователи пишут: «На основе имеющихся исследований установлено, что ядерные отходы могут значительно увеличить выработку водорода посредством различных передовых методов, включая электролиз с катализатором, риформинг метана и термохимические циклы.

«Другие перспективные методы включают электролизные ячейки, усиленные излучением, подачу радиоактивных отходов в нагреватель для выработки электроэнергии, питающей электролизные ячейки, радиолиз и фотокатализ жидкой плазмой».

Исследование представляет детальный и всеобъемлющий обзор разработанных в настоящее время методов переработки ядерных отходов в водород.

Среди наиболее перспективных, по мнению авторов, — электролиз, усиленный излучением. Этот новаторский процесс, как утверждают ученые, может увеличить выход водорода до десяти раз по сравнению с традиционным электролизом. Эта технология предлагает гораздо более быстрый и эффективный путь к производству водорода из ядерных отходов, утверждают ученые.

Пересматривая предыдущие исследования, авторы определяют катализ на основе урана как экономически эффективный, как с точки зрения доступности материалов, так и общей стоимости.

«Использование катализаторов на основе урана снижает потребность в редких и дорогих металлах», — утверждают они, отмечая, что «высокая стоимость и дефицит создают насущную потребность (во внедрении) более доступных альтернатив».

В контексте катализа на основе урана соединения урана выступают в качестве катализаторов — веществ, ускоряющих химические реакции, особенно в производстве водорода из воды, что является перспективным направлением для устойчивой энергетики. Этот подход набирает обороты в академических кругах.

В статье также рекомендованы две дополнительные технологии получения водорода: риформинг метана с использованием катализаторов на основе урана, который может уменьшить накопление углерода и увеличить выход водорода, и фотокатализ жидкой фазы плазмой — метод, который повышает выработку водорода из радиоактивных сточных вод.

Авторы критически анализируют ограничения и проблемы, связанные с этими методами, включая «риск загрязнения синтез-газом, химической модификации катализатора и строгие нормативные требования, препятствующие прогрессу исследований в этой области».

Тем не менее, они подчеркивают преимущества предложенных методов, заявляя, что они «имеют ряд преимуществ, включая снижение объемов радиоактивных отходов, уменьшение потребности в долгосрочном хранении и обеспечение стабильного снабжения водородом».

Авторы представляют тщательный обзор, который также выявляет сохраняющиеся пробелы в области получения водорода из ядерных отходов. Эти пробелы, по их словам, требуют дальнейшего научного исследования.

Они указывают на «существенное препятствие» для ученых, работающих над продвижением технологий, ориентированных на преобразование ядерных отходов в водород. Это препятствие, согласно исследованию, заключается в строгой нормативной базе, регулирующей доступ и обращение с радиоактивными материалами и отходами.

«Большая часть доступной литературы опирается на внешние источники излучения для имитации воздействия радиоактивных отходов, что может поставить под сомнение точность и применимость результатов в реальных условиях», — утверждают они, добавляя, что, хотя регулирование необходимо, «строгие правила препятствуют инновациям».

Обзор систематически рассматривает текущие подходы к производству водорода из ядерных отходов, включая усиленные электролизные ячейки, радиолизные процессы, термохимические циклы, радиоэлектролизные ячейки и методы риформинга метана.

По словам авторов, «эти методы демонстрируют потенциал в увеличении количества производимого водорода, снижении потребности в дорогостоящих и редких элементах, а также уменьшении долгосрочного воздействия ядерных отходов на окружающую среду».

Далее они демонстрируют, что выход водорода в процессах радиолиза значительно зависит от нескольких переменных, таких как добавление муравьиной кислоты (увеличение выхода до 12 раз), температура (увеличение до пяти раз), продолжительность облучения и тип катализатора, включая TiO2 (рутильная фаза) и ZrO2, которые зарекомендовали себя как особенно эффективные катализаторы.

Авторы заключают, подчеркивая важность сотрудничества между секторами: «Для преодоления технических, нормативных и финансовых препятствий в будущем необходимо способствовать сотрудничеству между научно-исследовательскими институтами, законодателями и отраслевыми заинтересованными сторонами».