Các nhà máy điện hạt nhân hiện nay, tạo ra năng lượng thông qua quá trình phân hạch hạt nhân. Trong phản ứng phân hạch, một nguyên tử plutonium hoặc uranium phân tách để giải phóng năng lượng và các hạt gọi là neutron, rồi tiếp tục phân tách thêm các nguyên tử khác. Phản ứng phân hạch dây chuyền cung cấp nguồn năng lượng ổn định nhưng cũng tạo ra chất thải hạt nhân tồn tại lâu dài.
Trong khi đó, các nhà máy điện nhiệt hạch hạt nhân được đề xuất, tạo ra năng lượng bằng cách kết hợp các hạt nhân nguyên tử. Với phản ứng nhiệt hạch, các đồng vị hydro, như deuterium và tritium, kết hợp với nhau tạo ra các nguyên tử nặng hơn. Quá trình này giải phóng một lượng lớn năng lượng để sản xuất điện, tạo ra rất ít chất thải phóng xạ, không giống như phân hạch hạt nhân.
Tuy nhiên, phản ứng nhiệt hạch hạt nhân là một vấn đề khá tốn kém vì một trong những nhiên liệu chính của nó là đồng vị hiếm của hydro gọi là tritium. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang phát triển phương pháp mới, sử dụng chất thải hạt nhân để tạo ra tritium.
Mặc dù deuterium có sẵn, nhưng Hoa Kỳ lại thiếu nguồn tritium an toàn và có thể dự đoán được. Tritium tồn tại tự nhiên ở tầng khí quyển trên. Nguồn thương mại chính hiện nay là các lò phản ứng phân hạch ở Canada. Terence Tarnowsky, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, cho biết tổng lượng tritium dự trữ trên toàn cầu là khoảng 55 pound ±31 (25 kg ±14).
Không giống như dự trữ tritium, Hoa Kỳ có hàng ngàn tấn chất thải hạt nhân tạo ra bởi các nhà máy điện hạt nhân thương mại. Chúng chứa các vật liệu có độ phóng xạ cao, đòi hỏi chi phí đắt đỏ lưu trữ để đảm bảo an toàn. Việc lưu trữ lâu dài làm dấy lên lo ngại về rò rỉ phóng xạ vào môi trường, có thể gây hại cho thực vật, động vật, hoặc gây ung thư cho con người.
Vì vậy, Tarnowsky nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng chất thải hạt nhân vẫn còn phóng xạ nhằm tạo ra tritium có giá trị. Ông thực hiện nhiều mô phỏng máy tính về các lò phản ứng tritium tiềm năng để đánh giá sản lượng và hiệu quả năng lượng của các thiết kế.
Các thiết kế lò phản ứng mô phỏng, sử dụng máy gia tốc hạt để khởi động các phản ứng phân tách nguyên tử trong chất thải hạt nhân. Khi các nguyên tử phân tách trong mô phỏng, chúng giải phóng neutron và cuối cùng tạo ra tritium sau một loạt quá trình chuyển đổi hạt nhân khác.
Tính năng của máy gia tốc cho phép người vận hành bật hoặc tắt các phản ứng này, được coi là an toàn hơn so với các phản ứng dây chuyền diễn ra trong nhà máy điện hạt nhân thông thường. Mặc dù các nguyên tắc cơ bản của thiết kế không phải là mới, nhưng các tiến bộ trong công nghệ có thể giúp nó hiệu quả hơn so với khi nó được xem xét lần đầu tiên vào những năm 1990 và đầu những năm 2000, theo Tarnowsky.
Cho đến nay, Tarnowsky ước tính, hệ thống lý thuyết này hoạt động với 1 gigawatt năng lượng, tương đương tổng nhu cầu năng lượng hằng năm của 800.000 hộ gia đình Hoa Kỳ, có thể sản xuất khoảng 4,4 pound (2 kg) tritium mỗi năm. Con số này tương đương tổng sản lượng hằng năm của tất cả lò phản ứng ở Canada.
Một lợi thế quan trọng của hệ thống theo Tarnowsky là hiệu quả sản xuất tritium. Ông dự đoán thiết kế này sẽ sản xuất lượng tritium nhiều gấp 10 lần so với lò phản ứng nhiệt hạch ở cùng công suất nhiệt. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Hoa Kỳ và Cơ quan an ninh hạt nhân quốc gia.
