Национальная лаборатория Айдахо (INL) преодолела важное препятствие на пути к практическому использованию ядерного реактора четвертого поколения. Команда разработала новый, эффективный способ обработки топлива для передовых реакторов на расплавах солей.
Одним из основных направлений в усилиях по возрождению ядерной энергетики в 21 веке является разработка новых конструкций реакторов. Еще пару десятилетий назад они были экспериментальными и имели ограниченные перспективы практического применения.
Один из классов этих так называемых электростанций четвертого поколения, или Gen IV, — реакторы на расплавах солей. В них вместо топливных стержней из обогащенного урана или плутония и водяного замедлителя/охладителя используется смесь ядерного топлива и расплавленной соли. Эта концепция, на первый взгляд, кажется немного странной, но она предоставляет множество преимуществ по сравнению с обычными реакторами с водой под давлением, которые используются сегодня.
Существует несколько различных типов реакторов на расплавах солей, но у них есть ряд общих черт. Они работают при более высоких температурах, чем обычные реакторы, и при атмосферном давлении. Это делает их гораздо более эффективными и снижает механические нагрузки, а также устраняет угрозу неконтролируемого расплавления, поскольку ядерная реакция самоограничивается. Кроме того, опасные или вредные газы, такие как водород и ксенон, легко удаляются с помощью простого химического процесса.
Реакторы на расплавах солей работают при температурах около 600 °C, и имеют на 50% большую эффективность. Они могут непрерывно перерабатывать свое топливо, что сокращает количество ядерных отходов, а новое топливо может быть добавлено, и отходы удалены с помощью, по сути, сантехники.
Они также достаточно гибки, способны работать с различными видами топлива, что помогает не только с экономической точки зрения, но и с сокращением распространения ядерного оружия. Не говоря уже о том, что конструкции реакторов могут быть модульными и легко адаптироваться для небольших установок, которые можно использовать для различных промышленных применений, включая добычу нефти, производство водорода, опреснение воды, плавучие электростанции и судовые двигатели.
Все это звучит хорошо, но почему реакторы на расплавах солей не были построены раньше? Ответ заключается в том, что такие реакторы использовались с самого зарождения ядерной эры. Фактически, одна из первых конструкций реактора, разработанная для союзного Манхэттенского проекта по созданию первой атомной бомбы, должна была использовать смесь соли и урана. Однако, эта разработка не получила развития, потому что не хватало уранового топлива, и конструкция на расплавленных солях не подходила для производства плутония, поэтому Оппенгеймер и его коллеги выбрали графитовый реактор.
С тех пор было реализовано несколько проектов реакторов на расплавах солей, в том числе один для подводных лодок и еще один для (помоги нам Господь) питания самолетов, но они так и не прижились. Дело в том, что ядерные реакторы далеко не так просты, как может показаться из иллюстраций в школьных учебниках.
Несмотря на свои преимущества, реакторы на расплавах солей имеют свои недостатки. Они подвержены проблемам коррозии, а также термическим и нейтронным нагрузкам. Кроме того, соли удаляют защитные оксидные слои с металлических компонентов. Также существует проблема переработки топлива, которая механически проста, но становится более сложной, если вспомнить, что топливо радиоактивно.
Помимо всего этого, ядерные реакции, основанные на текучих смесях горячих жидкостей, затрагивают некоторые области ядерной физики, которые, выражаясь техническим языком, немного сомнительны. Не только отсутствуют стандартизированные вычислительные инструменты для моделирования физики реактора, но и существует ограниченное понимание того, как конструкционные материалы подвергаются воздействию при длительной эксплуатации.
И, как будто этого было недостаточно, чтобы у инженера-ядерщика появился измученный вид, существует проблема изготовления топлива для реактора. Нельзя использовать металлический уран, как в обычных топливных стержнях. Он должен быть в форме, которая будет растворяться в хлоридных солях. Это означает, что необходима некоторая форма хлорида урана, такая как трихлорид урана (UCl₃) или тетрахлорид урана (UCl₄), которые создают проблемы, включая сложность изготовления, химическую стабильность и реакционную способность, дополнительные этапы химической обработки и проблемы коррозии.
Именно эту проблему решает Эксперимент с реактором на расплаве хлорида (MCRE) INL. С 2020 года техническая группа под руководством Билла Филлипса пытается найти подходящее соединение урана и способы его массового производства с эффективностью 90%.
MCRE в сотрудничестве с Southern Company и TerraPower стремится построить первый в мире критический реактор на расплавах солей с быстрым спектром. Цель состоит в том, чтобы к 2028 году создать демонстрационный реактор, а к 2035 году — коммерческую версию.
В 2020 году INL могла производить только две-три унции (от 57 до 85 г) топлива за раз. К сожалению, для достижения критичности конечному реактору требуется три с половиной тонны. Таким образом, INL работает с обедненным ураном, который намного дешевле, но химически идентичен делящемуся урану, чтобы увеличить производство топлива в партии.
Путем множества проб и ошибок, в сочетании с изготовленной на заказ прототипной печью и специализированным оборудованием, команда нашла способ объединить точные условия, ингредиенты и методы для производства 18 кг (39 фунтов) за раз.
Следующим шагом INL является производство еще пяти партий к октябрю 2025 года. Это позволит продемонстрировать потенциал для полномасштабного производства обогащенного ядерного топлива и загрузить MCRE для первых реакторных экспериментов. Они направлены на изучение поведения нейтронов в реакторе, проверку теоретических моделей для реакторов на хлоридах с быстрым спектром, измерение стабильности топлива, оценку коррозионной стойкости конструкционных материалов в хлоридных солях и изучение радиационного повреждения материалов оболочки.
+ There are no comments
Add yours