Отправка ядерных отходов на Солнце, конечно, физически возможна, но есть одно серьезное препятствие: энергия и, следовательно, деньги.

Рассмотрим запуск бочки с ядерными отходами к солнцу. Вы не хотите, чтобы отходы начали вращаться вокруг Солнца и в конечном итоге упали обратно на Землю, поэтому вы должны отправить их прямо на Солнце. Однако Земля движется вокруг Солнца со скоростью около$30$км/с, так что вам придется придать стволу начальную скорость не менее 30 км/с, чтобы он остановился в гелиоцентрической системе отсчета — влияние вращения Земли незначительно. Это в два раза больше максимальной скорости ракеты Ariane 5.

Теперь, скажем, вы хотите отправить тонну отходов на солнце. Чтобы четырехступенчатая ракета достигла такой скорости с такой полезной нагрузкой, используя самое известное топливо — жидкий водород и жидкий кислород — она должна весить около$44\times 10^3$тонн: это более чем в 10 раз больше массы Сатурна V. Теперь давайте предположим, что масса вашей ракеты более реалистична, скажем$3,000$тонн. Тогда полезная нагрузка, которая, наконец, достигнет Солнца, будет весить около 100 кг и стоить около 4 миллионов долларов за килограмм. Для сравнения, исходя из хранилища ядерных отходов Юкка-Маунтин, кажется, что хранение ядерных отходов под землей стоит около 1000 долларов за кг.

Наконец, как вы сказали, ракета может быть сильно повреждена солнечным ветром, поэтому вам придется защищать ядерные отходы в стальном контейнере. Тогда только половина полезной нагрузки будет ядерными отходами.

Вкратце: на Земле имеется около миллиона тонн отработавшего ядерного топлива (в форме, с которой можно обращаться). Отправка всего этого в космос — гигантское, беспрецедентное предприятие, сталкивающееся с непомерно высокими техническими, логистическими проблемами и проблемами безопасности. На это уйдут десятилетия. Его стоимость сопоставима с ВВП США. В любом случае, пока есть атомные электростанции, на Земле должен оставаться оборотный склад из многих тысяч тонн свежих ядерных отходов , пока они остывают.

В то время как другие подчеркивали непомерную стоимость (порядка величины ВВП США) и риск ¹ , время и обработка также будут проблемой . Они связаны между собой: одним общим ключевым фактором в безопасном обращении с высокоактивными отходами, что неудивительно, является эффективное экранирование, неизбежно требующее большого количества экранирующей массы. Покажу сначала, что потребуется нереальное количество пусков даже на почти неэкранированном топливе. Затем я кратко коснусь трудностей, связанных с обработкой этого во время запусков.

масса

Давайте рассмотрим массу, которая нам нужна для запуска. Это несколько сложно: измеряем ли мы чистое количество ядерных отходов? Отработанные топливные стержни? Остеклованные отходы? Отходы в бетоне? Что бы изменилось, если бы мы были уверены, что запустим его в космос? Нужно ли еще так хорошо герметизировать? Ведь высокорадиоактивное и высокоядовитое отработавшее топливо необходимо тщательно отделить от биосферы еще и во время запуска. (На самом деле я предполагаю, что стрелять в солнце — это ваша идея окончательного разделения.)

Одна цифра, которая ходит вокруг да около, это 70 000+ тонн отработавшего топлива в США или что-то около 200 000–300 000 тонн по всему миру. Это соответствует количеству примерно 25 тонн отработавшего топлива в год на реактор, если предположить, что примерно 400 реакторов по всему миру проработали 30 лет: 12 000 реакторо-лет с 25 тоннами на реактор в год. Но это чистый вес. Чтобы транспортировать и обращаться с топливом, его обычно расплавляют стеклом или запечатывают бетоном, что увеличивает массу в три или четыре раза. Для безопасной перевозки отработавшего топлива его затем запечатывают в стальной контейнер, который весит 100 тонн на 10 тонн отработавшего топлива. ²

Но давайте предположим, что мы не пытаемся запускать обычные стальные контейнеры с отработавшим топливом. В любом случае они не переживут неудачный запуск ³ . Вместо этого мы просто запускаем незащищенные стеклянные шарики или что-то в этом роде и надеемся, что наша ракета сможет выдержать значительное излучение в течение нескольких часов между погрузкой и запуском. Это по-прежнему предполагает необходимость запуска общей массой брутто около миллиона тонн , чтобы утилизировать 200 000 или 300 000 тонн нетто ядерных отходов.

Ракета Ariane 5 может доставлять на геостационарную орбиту 10 метрических тонн за один запуск; вероятно, будет меньше, если мы захотим покинуть земную Сферу холмов , которую я считаю достаточно хорошей для нашей цели, учитывая небольшой дополнительный толчок.

Это приводит к примерно 100 000 запусков (стоимостью примерно 2*10^13 долларов ⁴ при стоимости 200 миллионов долларов за запуск ). SpaceX будет запускать дешевле, но, с другой стороны, более высокие требования безопасности могут снова сделать запуски более дорогими.

Но мой главный аргумент заключается в том, что даже если запускать по 2-3 ракеты каждый чертов день, вам понадобится 30 000 дней или 75 с лишним лет. То есть, если вы прекратите использовать ядерную энергию сейчас. Более 400 атомных станций производят около 10 000 тонн нетто/30 000 тонн валовых отходов каждый год , что требует 3000 запусков, что делает отправку отходов в космос хуже, чем покраску Эйфелевой башни: пока вы запускаете , количество ядерных отходов на самом деле растет. Вам нужно запускать по 10 Арианов каждый день, чтобы просто не допустить роста количества ядерного топлива.

Мероприятия

Отработавшее ядерное топливо чрезвычайно радиоактивно. Нахождение рядом с ним смертельно в течение нескольких минут, ничего не проглатывая. (Помните чернобыльские ликвидаторы, которые по очереди вбегали в реактор и выходили из него только для кратковременной очистки?) Мне не удалось найти информации о кратковременном воздействии сильного гамма- и нейтронного излучения на электронику, кроме общих заявлений о том, что оно на них влияет . .

Даже если ракета-носитель может справиться с радиацией, люди уж точно не справятся. Мне уже по чисто техническим причинам не сразу понятно, как, где и когда собирается контейнер полезной нагрузки. Это нужно будет сделать на общей стартовой площадке, возможно, рядом с площадкой, потому что после распаковки топлива из транспортных контейнеров люди вообще не могут к ней приблизиться.

Вся обработка после распаковки должна быть дистанционной или роботизированной. Обращение с сырыми гранулами обычно осуществляется на специальных ядерных объектах, чтобы избежать радиоактивного заражения окружающей среды. Они жестко регулируются и проверяются, намного больше, чем любое гражданское космическое предприятие. Обращение с отработавшим ядерным топливом полностью меняет характер площадки.

Не технические аспекты не менее сложны. Обращение с отработавшим ядерным топливом представляет собой угрозу безопасности. Места переработки являются операциями с высоким уровнем безопасности из-за опасений прямых террористических атак, а также кражи ядерных запасов, будь то грязная бомба или содержащийся в ней плутоний. Вероятно, потребуется иметь безопасные здания и/или средства противовоздушной обороны, по крайней мере, установки дымовой завесы, потому что очевидно, что система запуска незащищена и уязвима. Будет осуществляться регулярная транспортировка больших объемов ядерных отходов со всего мира на место, которое также необходимо защищать и преодолевать потенциальное местное политическое сопротивление вдоль железнодорожных путей или автомагистралей. Для запуска 100 т остеклованных отходов необходимо перевезти примерно 10 контейнеров по 100 т брутто каждый, что примерно соответствует одному транспортному поезду в день. Для сравнения, такие перевозки бывалопримерно раз в два года в Германии в течение последних 20 лет. Последнему такому транспорту в 2011 году потребовалось 5 дней, чтобы пересечь Центральную Европу, и его охраняла полиция численностью 30 000 человек (!). У вас было бы это каждый день.

Нагревать

Часть радиоактивности создает тепло порядка 100 кВт/т тяжелого металла для свежих отходов, которое экспоненциально снижается до 1 кВт/т через 10 лет. Через 5 лет активность может составить около 5 кВт/т, что делает 10-тонную полезную нагрузку источником тепла примерно на 25 кВт (около 12 бытовых обогревателей), предполагая 5 т фактического отработавшего топлива. В этот момент топливо не расплавится даже при отсутствии активного охлаждения, но такая буквально горячая полезная нагрузка, конечно, нетипична для системы запуска. Это может повлиять на электронику и топливные баки. Я полагаю, что одна только жара заставляет минимизировать время между погрузкой и запуском.

Вывод

Во-первых, необходимость дать отработанному топливу остыть, прежде чем с ним можно будет что-либо сделать, приводит к неизбежному многолетнему складированию на Земле, даже если перспектива запуска его в космос поначалу кажется соблазнительной.

Транспортировка и обращение с отработавшим топливом — опасное дело, требующее сложного технического оборудования и технических, а также военных мер безопасности. Физические свойства полезной нагрузки достаточно необычны, чтобы поставить новые инженерные задачи. ⁵

Количество существующего запаса отработавшего топлива, а также производительность заставят запускать десятки полезных нагрузок в день, чтобы вообще существенно сократить количество отработавшего топлива на Земле. Доставка существующего ядерного топлива в космос — это вопрос многих десятилетий, что делает его не элегантным краткосрочным или среднесрочным решением, а масштабной, долгосрочной, чрезмерно дорогой и чрезмерно рискованной военно-промышленной операцией.

_{² Следует отметить, что в эти контейнеры можно обращаться с отработавшим топливом только после того, как оно пролежит в бассейне отработавшего топлива в течение нескольких лет, когда они частично утратили свою первоначальную радиоактивность. Другими словами, вы не можете хорошо транспортировать свежее отработавшее топливо, а отработавшее топливо, которого хватит на несколько лет, все равно будет находиться на земле по чисто техническим транспортным причинам.}

_{³ Но они пережили крушение поезда.}

_{⁴ ВВП США составляет около 1,9*10^13 долларов.}

_{⁵ Это действительно так, независимо от того, что вы делаете с топливом. Даже простое захоронение создает необычные инженерные проблемы, потому что тепло и радиация ускоряют коррозию и общий износ защитной оболочки.}

Можно, но это будет как минимум двойная трата ресурсов.

1. Запуск будет, как ответил Джеймс , очень дорогим.
2. Кто сказал, что ядерные отходы навсегда останутся отходами ? Предпринимаются усилия по переработке ядерных отходов. В случае успеха отходы станут ресурсом .

Я ответил на аналогичный вопрос в другом месте в сети SE. Это небольшое обновление$2\, \frac 3 4$летний ответ.

Будет ли препятствие, препятствующее этому?

Как минимум, есть как минимум пять препятствий:

• Если вы хотите сделать это, отправка его за пределы Солнечной системы имеет больше смысла.
• Мы даже этого не можем. Мы даже не можем заставить его врезаться в Луну.
• Даже если бы мы могли это сделать с технической точки зрения, это стоило бы слишком дорого.
• Даже не обращая внимания на технические и финансовые препятствия, это было бы слишком рискованно.
• Наконец, мы просто не хотим этого делать.

Послать его за пределы Солнечной системы имеет больше смысла.
Отправить что-то на Солнце чрезвычайно дорого; стоимость дельты V чрезвычайно непомерно высока. Послать что-то за пределы Солнечной системы будет стоить значительно дешевле, чем послать что-то той же массы на Солнце. Еще меньше будет стоить заставить это что-то упасть на поверхность Луны. Я буду использовать это в качестве метрики, а не отправлять наши отходы на Солнце.

Мы не можем даже заставить его упасть на поверхность Луны.
Атомная промышленность производит от 2000 до 2300 метрических тонн отходов в виде отработавшего топлива в год ( Источник: Институт ядерной энергии ).

Я возьму Falcon Heavy за основу. Он сможет вывести 13 200 фунтов полезной нагрузки на транслунную инжекционную орбиту. Как минимум, это означает 384 запуска Falcon Heavy в год. Обратите внимание: этот минимум означает, что отходы должны складываться без защиты на верхнюю часть ракеты-носителя Falcon Heavy. Это нереально по ряду причин. Будучи совершенно нереалистичным и предполагая, что на фунт отходов приходится только один фунт герметизирующего материала, это означает более двух запусков в день, каждый день в году, просто чтобы не отставать от текущего уровня производства ядерных отходов.

Что еще хуже, эти 2000-2300 метрических тонн в год — это верхушка айсберга. По тому же источнику у нас накоплено почти 70 000 метрических тонн отработанного топлива. Есть также зараженная вода, зараженное оборудование для жилья, загрязненные управляющие стержни; и т.д. Там много складированных ядерных отходов. Избавиться от него в космосе невозможно.

Даже если бы можно было сделать это технически, это стоило бы слишком дорого.
Используя мой смехотворно оптимистичный фактор в один фунт герметизирующего материала на фунт отходов, избавление от этих 70 000 метрических тонн использованного топлива обойдется почти в 2 триллиона долларов. Эта цифра смехотворно оптимистична. Подставьте любое реальное число, и в результате стоимость войны с террором покажется очень мелкой финансовой картошкой.

Даже если не принимать во внимание технические и финансовые проблемы, это было бы слишком рискованно.
Мой коэффициент фактора один фунт герметизирующего материала на фунт отходов смехотворно оптимистичен. Посмотрите, что НАСА должно сделать для радиоизотопного термоэлектрического генератора, который оно использует для зондов дальнего космоса. Эти РИТЭГи построены как танки, в ^энной степени. Вместо моего коэффициента «один к одному» более реалистичным был бы коэффициент «десятки к одному» или более. Это сделало бы войны с террором, с бедностью, с раком, с чем угодно, похожими на микроскопическую финансовую картошку.

Мы просто не хотим этого делать.
Возможность осуществлять несколько запусков за пределы околоземной орбиты в день — мечта каждого фанатика космоса. Тратить эти фантастические возможности на запуск ядерных отходов в космос? Это кошмар любого фанатика космоса.

Да, это так. Но примите во внимание огромное количество радиоактивных отходов, например количество радиоактивных отходов .

Краткий ответ: Сохраняемые отходы в США составляют примерно 60 000 тонн (высокоактивные отходы). Возьмите это и умножьте на четыре, поскольку в США 104 из 400+ атомных станций мира, и мы получаем 240 000 тонн. Я не согласен, что вам придется отправлять вещи прямо на солнце. Как только он покидает околоземную орбиту, он все равно исчезает. Итак, давайте предположим базовые затраты на запуск (хотя они только на орбиту, вам нужно уйти с орбиты, поэтому это будет дороже). например , запуск стоит 27 000 долларов за фунт.

Это просто НАМНОГО дорого для утилизации отходов. Я бы предпочел просверлить ОЧЕНЬ глубокую яму, скажем, 10 км, если вы хотите просто навсегда забыть об отходах, это точно будет намного дешевле.

Будет ли препятствие, препятствующее этому? Например, солнечные ветры?

Солнечный ветер практически безвреден для большинства космических аппаратов, если только они не подвергаются воздействию в течение очень длительных периодов времени, и в этом случае токопроводящее стекло над солнечными батареями обычно подвергается наибольшему повреждению (т. е. стекло медленно становится «черным», что снижает КПД солнечных батарей). Более серьезной проблемой будет абляция фотонов высокой энергии вблизи Солнца. Если сделать это неправильно, корпус космического корабля полностью испарится, еще находясь далеко над поверхностью фотосферы (т. е. над поверхностью Солнца). То есть, если вы намеревались заманить радиоактивные отходы в ловушку солнечного гравитационного колодца.

Миссия Solar Probe Plus сталкивается с аналогичными проблемами, например, как приблизиться без абляции. Вы можете найти ссылки на веб-странице миссии полезными.

Примечание: если бы космический корабль был удален до того, как попал в ловушку гравитационного колодца, последствия для Земли нельзя было бы даже измерить.

Если вы просто адиабатически расширите одну тонну чистого урана на 1 а.е. сферически-симметричным образом, плотность изменится как$\rho \propto r^{-2}$. В твердом состоянии уран имеет плотность ~19,1 г/см ³ или ~19100 кг/м ³ , поэтому одна метрическая тонна (т. е. 1000 кг) урана первоначально занимает объем ~0,0524 м ³ или ~52,5 литра. Если мы теперь уменьшим эту плотность на$r^{-2}$фактор (при условии сохранения массы) ^более 1 ^а . Для сравнения, типичная плотность протонов в околоземной среде составляет ~10 см ^-3 или ~10 ⁶ м ^-3 .

Подводя итог, можно сказать, что даже если аппарат полностью исчезнет на малой высоте вблизи Солнца и будет подхвачен солнечным ветром, к тому времени, когда он достигнет Земли, не будет никаких измеримых эффектов (т. е. мы никогда не сможем измерить столь низкую плотность чисел).

Если пренебречь опасностью неудачного старта ракеты и затратами, будет ли физически возможно отправить все ядерные отходы на Земле на Солнце?

Я согласен с комментарием @Luaan в том, что мы уже находим применение так называемым «отработавшим» ядерным топливным стержням, например, поищите статьи о реакторах- размножителях . При соответствующей защите их также можно использовать в качестве долговременных низкотемпературных источников, сокращая затраты на энергию и т. д. Конечно, опасения по поводу ненадлежащего использования (например, для грязных бомб) всегда присутствуют, но есть способы сделать извлечение чрезвычайно бесполезным.

Например, современные контейнеры, используемые для хранения отработавших топливных стержней, могут выдерживать силы, создаваемые сверхзвуковым ударом о твердый бетон, горящим напалмом в течение более 24 часов, большинством взрывоопасных боеприпасов и т. д., не теряя при этом своей удерживающей способности. По сути, количество силы/энергии, необходимой для разрушения одного из этих контейнеров, беспокоило бы меня гораздо больше, чем что-либо внутри контейнеров.

Когда-то технически осуществимая и безопасная, что, возможно, не сегодня, но, несомненно, когда-нибудь станет, почему бы просто не пробурить примерно милю или две вниз по плоскости разрушительного края плиты на дне океанической впадины и не сбросить тысячи тонн высоких - выровнять отходы по стальной или титановой трубе, прежде чем залить ее бетоном толщиной в полмили или чем-то подобным? Тогда пусть Земля автоматически перенесет его в Мантию в течение десятков тысяч лет.

В дополнение к тому, что говорили другие люди, гораздо дешевле использовать рельсотрон для этой цели. Рейлган — это электромагнитная пусковая установка. Если бы он был направлен прямо вверх и расположен недалеко от экватора, вы могли бы запускать полезные нагрузки к солнцу во время заката каждый день.