Nhóm nghiên cứu tại Cơ sở máy gia tốc quốc gia Thomas Jefferson, Hoa Kỳ đang xúc tiến hai dự án quan trọng nhằm tối ưu hóa hệ thống điều khiển bằng máy gia tốc (ADS). Sáng kiến ​​này tập trung vào đột phá kép: tạo ra thêm điện năng không phát thải carbon từ nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, đồng thời giảm đáng kể thời gian tồn tại phóng xạ của nó.

Thứ nhất là việc phát triển ADS. Hệ thống này sử dụng máy gia tốc hạt để bắn các proton năng lượng cao vào mục tiêu (chẳng hạn như thủy ngân lỏng), để kích hoạt quá trình gọi là “phân rã hạt nhân”. Quá trình này giải phóng một lượng lớn neutron, tương tác với các đồng vị không mong muốn, có thời gian bán rã dài trong chất thải hạt nhân.

Công nghệ này có thể “đốt cháy” hiệu quả các thành phần nguy hiểm nhất của chất thải hạt nhân, bằng cách biến đổi các nguyên tố này. Nếu như chất thải hạt nhân chưa qua xử lý vẫn nguy hiểm trong khoảng 100.000 năm thì việc phân tách và tái chế thông qua ADS có thể rút ngắn thời gian đó xuống chỉ còn 300 năm.

Quá trình này cũng tạo ra lượng nhiệt đáng kể, có thể được tận dụng để sản xuất thêm điện cho hệ thống lưới điện. Để làm cho ADS khả thi về mặt kinh tế, Phòng thí nghiệm Jefferson đang giải quyết hai rào cản kỹ thuật chính là hiệu suất và năng lượng.

Các máy gia tốc hạt truyền thống yêu cầu các hệ thống làm lạnh đông lạnh khổng lồ, đắt tiền để đạt được nhiệt độ siêu dẫn. Phòng thí nghiệm Jefferson đang tiên phong một cách tiếp cận tiết kiệm chi phí hơn, bằng cách phủ thiếc lên bên trong các khoang niobium nguyên chất.

Các khoang niobium-thiếc này có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, cho phép sử dụng các thiết bị làm mát thương mại tiêu chuẩn, thay vì các thiết bị đông lạnh quy mô lớn, được thiết kế riêng. Nhóm nghiên cứu cũng phát triển các khoang hình nan hoa, một thiết kế phức tạp nhằm đạt hiệu quả cao hơn nữa trong quá trình phân rã neutron.

Thứ hai là tập trung vào nguồn năng lượng. Các nhà nghiên cứu đang tinh chỉnh nam châm điện để cung cấp 10 megawatt điện năng cần thiết cho ADS. Thách thức chính là tần số năng lượng phải khớp chính xác với khoang gia tốc ở mức 805 Megahertz. Nhóm nghiên cứu đang chế tạo nguyên mẫu các nam châm điện tiên tiến có thể kết hợp để đạt ngưỡng công suất cao cần thiết với hiệu quả tối đa.

Bằng cách hợp tác với các đối tác như RadiaBeam, General Atomics và Stellant Systems, Phòng thí nghiệm Jefferson đang đảm bảo công nghệ này nhanh chóng chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản xuất thương mại. Các dự án này mang đến giải pháp tiềm năng cho cuộc tranh luận kéo dài về các kho địa chất lưu trữ vĩnh viễn chất thải hạt nhân, chuyển đổi mô hình từ chôn vùi lâu dài sang tái sử dụng hiệu quả.