США близки к созданию эффективных жидкосолевых ядерных реакторов

Компания Southern Company и Национальная лаборатория Айдахо (INL) сделали важный шаг к созданию действующего ядерного реактора на расплавах солей в течение ближайшего десятилетия. Партнеры успешно завершили первый этап испытаний уникального стенда, разработанного для ускоренного развития этой перспективной технологии.

Жидкосолевые реакторы, относящиеся к следующему поколению ядерных установок (известных как реакторы IV поколения), все чаще рассматриваются как будущее атомной энергетики. В отличие от традиционных реакторов с твердыми топливными стержнями и водяным охлаждением, в этих установках используется смесь расплавленных солей с ядерным топливом, что предоставляет множество преимуществ.

Одним из ключевых достоинств таких реакторов является повышенная безопасность по сравнению со старыми атомными электростанциями. Они работают при значительно более низких давлениях, что снижает нагрузку на конструкционные материалы и уменьшает риски серьезных разрушений в случае аварии.

Жидкосолевые ядерные реакторы также обладают уникальными пассивными системами предотвращения катастроф. Некоторые конструкции оснащены так называемой «замораживающей пробкой» в камере реактора. При сбое электропитания система, поддерживающая эту солевую пробку в твердом состоянии, отключается, пробка плавится, и солевая смесь с топливом самотеком сливается в подземные резервуары, где безопасно охлаждается. С другой стороны, при перегреве реактора расширение солевой смеси приводит к рассредоточению ядерного топлива, что затрудняет дальнейшее протекание цепной реакции деления и фактически останавливает реактор.

Кроме того, жидкосолевые реакторы более эффективны, чем их предшественники, и потенциально могут использовать в качестве топлива отработавшие материалы других ядерных процессов. Они производят меньше радиоактивных отходов, которые к тому же распадаются быстрее, чем традиционное отработавшее ядерное топливо. Благодаря относительно небольшим размерам, такие реакторы могут развертываться модульно, по мере необходимости.

Несмотря на все преимущества, одной из главных проблем при создании жидкосолевых реакторов остается агрессивное воздействие раскаленной солевой смеси на материалы, с которыми она контактирует, вызывая их коррозию.

Для решения этой задачи Национальная лаборатория Айдахо, Southern Company и компания TerraPower реализуют совместный проект Molten Chloride Reactor Experiment (MCRE). В рамках этого проекта уже достигнут важный результат: в прошлом месяце было объявлено об использовании прототипа печи для производства топлива на основе денатурированного урана партиями по 18 кг с эффективностью 90%. Хотя это пока далеко от необходимых трех с половиной тонн для достижения критичности реактора, это значительный прогресс.

Теперь участники проекта MCRE сообщили об успешном завершении испытаний на стенде «Контур для испытания потока расплавленных солей» (Molten Salt Flow Loop Test Bed). Цель этого стенда – разработка реактора, способного противостоять коррозионному воздействию расплавленных солей.

Стенд представляет собой замкнутую систему из нержавеющей стали, внутри которой циркулирует солевая смесь хлорида лития и хлорида калия. Ученые могут изменять параметры смеси, например, температуру, не останавливая поток. Это позволяет изучать поведение перспективных видов ядерного топлива в режиме реального времени во время их циркуляции.

Пять различных датчиков анализируют такие характеристики, как поверхностное натяжение и плотность солей, а также отслеживают уровень коррозии в системе и интенсивность теплопередачи в любой точке. Наблюдая за тем, как свойства соли влияют на контактирующие с ней материалы, исследовательская группа стремится подобрать идеальное сочетание топливной смеси и материалов защитной оболочки.

Ручи Гакхар, ведущий научный сотрудник отдела передовых технологий расплавленных солей в INL, поясняет, что большинство испытательных контуров ориентированы на проверку конструкционных материалов. Он говорит, что после нескольких часов работы такие контуры обычно разбирают, чтобы изучить степень деградации материалов. Гакхар подчеркивает, что, в отличие от них, контур в INL уникален, поскольку служит испытательной площадкой для передовых электрохимических датчиков и барботажных приборов. По его словам, эти приборы позволяют отслеживать и исследовать поведение материалов в реальном времени, пока контур продолжает работать. Он добавляет, что такой подход ранее не применялся и не исследовался в проточных контурах других учреждений.