Can a billion-pound machine turn atomic waste into
power?
Over a barrel: radioactive waste could be a thing of the past
The problem with nuclear power is that it comes with an
unpleasant side-effect: highly radioactive waste material that will still
be dangerous in thousands, if not millions, of years. But what if we could
build a reactor that ran on nuclear waste – a reactor that generated power
by cleaning up the most toxic substance in existence ?
Tucked among the fertile vineyards of
central California is a machine that promises to do just that. Today, work
officially finishes on the National Ignition Facility, ahead of its official
opening in May. As we reported earlier this year, the NIF contains the
most powerful laser in history, a billion-pound machine in a building the
size of three football pitches.
The aim is to split the laser into 192 separate
beams, then focus them on a speck of fuel little bigger than a pinhead.
The resulting temperatures and pressures will be millions and billions
times greater than those on Earth, triggering the start of a fusion reaction.
This will allow researchers to peer into the hearts of planets and stars
– but it also has a more practical application, which has nuclear scientists
salivating.
By using hydrogen as its fuel, the NIF should
become the first fusion machine that gives off more energy than is needed
to trigger the reaction. But there is a problem: due to the enormous energies
involved (1,000 times the amount produced by America's national grid),
the laser can only fire once every three hours. For a commercial fusion
power station, that would need to be 10 times a second.
So far, so disappointing. But the scientists
at the NIF have a crafty solution. Rather than creating a pure fusion reaction,
they plan to combine their technology with a traditional nuclear fission
reactor, which would require the laser to fire at a far lower frequency.
"Using the laser to trigger nuclear fusion
and drive a fission reaction means we can deliver the benefits of fusion
to the utility companies far sooner," explains Ed Moses, director of
the NIF. "We will be getting energy from both the fission reaction and
the fusion reaction, so for each kilo of fuel used in a traditional fission
reaction, we will get about 20 times more energy."
Nuclear fission occurs when heavy atoms such
as uranium or plutonium split into smaller, lighter atoms, releasing neutrons
and energy. The neutrons released trigger fission in nearby atoms, setting
off a cascade: a chain reaction.
Nuclear fusion, on the other hand, occurs
when two small atoms, typically forms of hydrogen, are heated and compressed
together until they fuse to form a heavier atom, releasing large numbers
of neutrons and vast amounts of energy.
Under the NIF's plan, the neutrons that power
the fission would come from the laser-triggered fusion reaction: a "fission
fusion" reactor in which the nuclear fuel is encased in a blanket around
the fusion reactor. The team claim they can have a working power station
running by 2020.
Dr Jeff Wisoff, a former astronaut who is
deputy principal associate director of science at the NIF, thinks this
type of hybrid energy source could transform the way the world views nuclear
energy.
"This is our vision for a safe, clean and
sustainable energy source of the future," he says. "As the source
of the neutrons is separate from the nuclear fuel, it becomes highly controllable
and it can never go into meltdown by accident."
But there are more advantages to the concept.
In nuclear fission, the cascade of neutrons eventually becomes too weak
for the fuel to be a viable energy source. The waste, however, continues
to undergo radioactive decay, remaining highly dangerous.
Yet by using a separate source of neutrons
– taken from the fusion reaction – the fuel can be burned up almost completely.
The NIF claims that spent nuclear fuel, and even weapons-grade plutonium,
could be put into the fission blanket and used up over a 50-year period
in a highly controllable way.
"The beauty of it is that we can put in
anything that will burn up," explains Dr Wisoff. "It will essentially
allow us to use the spent fuel left behind by traditional nuclear fission.
It really could help us clean up the world."
Professor Mike Dunne, director of the central
laser facility at the Rutherford Appleton Laboratory, near Oxford, is equally
enthusiastic. He is one of the leaders of the High Powered Laser Research
Facility, which is aiming to build a fusion reactor that can fire a laser
once every couple of minutes rather than hours.
"The concept of hybrid fission fusion reactors
have been around for a long time, but they have always been deemed to need
significant storage or reprocessing of waste," he says.
"What this does is close that fuel cycle.
It is an amazing design, and should allow us to get fusion energy on to
the National Grid far sooner than we have previously thought possible."
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suite:
Commentaire d'un membre du GSIEN:
C'est un vieux serpent de mer qui
ressort. Les japonais travaillaient déjà sur ce réacteur
hybride fission - fusion, il y a... au moins 15 ans.
Les promoteurs de la fusion
oublient tout une série de problèmes "amusants".
Tout d'abord, ce n'est pas
de "l'hydrogène sympathique" qu'on fusionne, mais un mélange
deutérium - tritium (réaction la plus "facile" à réaliser
- en octobre 1958 j'ai commencé à faire de la physique des
neutrons de 14 MeV produits par... réaction de fusion D-T avec
un petit accélérateur de 150 kV). La production de deutérium
est énergivore.
Quant au tritium... en général
on envisage de le produire par réaction n-Li, mais pas n'importe
quel isotope du lithium, celui de masse 6, présent seulement à
7,4% dans la nature. Et les réserves mondiales (exploitables) de
lithium sont faibles et vont déjà être mises largement
à contribution pour les batteries automobiles.
Par ailleurs, cette brave
réaction de fusion si "propre" produit des neutrons rapides
(14 MeV) qui emportent la plus grande part de l'énergie et ont la
tendance fâcheuse d'activer les matériaux environnants. Les
utiliser pour casser des déchets, ou pour servir d'appoint à
un réacteur sous critique nous ramène au Rubbiatron (1,
2,
3, etc.).
Les japonais proposaient,
à l'époque de mettre autour de leur machine à fusion
une couverture d'uranium naturel ou appauvri pour faire du breeding, c'est
à dire produire du 239 Pu. Et il n'arrivaient à un bilan
énergétique (sur papier) positif qu'en prenant en compte
le potentiel énergétique du Pu.
Il y a déjà
quelque temps que les plus ardents défenseurs de ces systèmes
ont rabattu leurs ambitions. En dehors des actinides mineurs, il n'est
plus question d'essayer de transmuter des noyaux genre Cs, etc... Il y
a une évidence simple: la fission, dans sa grande scélératesse,
ne s'en tient pas à produire du 137 Cs ou 135 Cs, mais elle fait
tous les isotopes du Cs (de 123 à 145) , y compris le 133 Cs qui
est... stable. La séparation chimique ne permet pas de séparer
les divers isotopes. Donc seule une faible partie des neutrons produits
vont servir à quelque chose. Mais par contre, leur production, dans
la partie réacteur à fission va engendrer de nouveaux produits
de fission... voir le sapeur Camenbert !!! De plus, les "cibles" chargées
de produits à détruire ( à transmuter) sont insérées
dans une matrice d'uranium appauvri (pour des raisons d'effet Doppler indispensable
à la sûreté du réacteur) qui va nous redonner
généreusement du 239 Pu, et de nouveaux actinides... et le
serpent se mord la queue.
Donc tous ces effets d'annonce
sont à prendre avec la plus grande prudence, si ce n'est avec un
sourire narquois. Je pense que leur principale préoccupation qui
justifie ces annonces, est l'attribution de nouveaux crédits. La
fusion est une sujet de recherche, principalement de fric!!!!
Vous me direz, on construit
bien le LHC, on satellise des engins pour rechercher la matière
noire ou des exoplanètes, alors pourquoi ne pas laisser d'autres
physiciens jouer avec la fusion. Je n'y vois pas trop d'inconvénients,
mais je réagis lorsqu'ils nous annoncent que, grâce à
cela, demain on va raser gratis.
J'ai écrit, il y a
longtemps, dans "Démocrite", un bulletin informel de la physique
des hautes énergies, que l'accélérateur ultime qu'on
pourra construire sera circumterrestre et je proposait qu'on le fasse passer
par le Darfour, le Bengladesh et autres pays dans la misère, ce qui
permettra à ces populations de crever de faim après avoir
contemplé les prodiges de la technologie humaine.
Raymond SENE
GSIEN
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en 2010 |