Реактор на расплавах солей

Схема реактора на расплаве солей.

Реактор на расплавах солей (жидкосолевой реактор, ЖСР, MSR) является одним из видов ядерных реакторов деления, в которых основой охлаждающей жидкости является смесь расплавленных солей, которая может работать при высоких температурах (выше - лучше для термодинамической эффективности), оставаясь при этом при низком давлении. Это уменьшает механические напряжения и повышает безопасность. Ядерное топливо жидкое и оно же является теплоносителем, что упрощает конструкцию реактора, уравнивает выгорания топлива, а также позволяет заменять горючее, не останавливая реактор. Одним из видов MSR и основным из разрабатываемых является жидкость на основе фторидов тория-232 и урана-233.

Общая информация

Во многих конструкциях ядерное топливо растворяется в расплавленном фториде теплоносителя в соли тетрафторида. В расплав также добавлены литий и бериллий. Реакторы могут быть основаны на ториевом или на урановом топливном цикле.

При ториевом топливном цикле цепная ядерная реакция возможна только при захвате торием-232 медленных нейтронов, что требует наличия замедлителя нейтронов. Замедлителем является графит, расположенный непосредственно в самом реакторе, с регулирующими стержнями. При аварийной ситуации, когда регулирующие стержни не работают, реактор начинает перегреваться, но жидкость под действием силы тяжести сливается в аварийно-резервное хранилище, заполненное холодным раствором соли. В качестве аварийного клапана предлагается использовать пробку из более тугоплавкой соли. Нагретая соль направляется в первый теплообменник, через который циркулирует соль второго контура, не содержащая радиоактивных веществ. Этот расплав соли направляется в следующий теплообменник, где тепло передаётся гелию или водяному пару. На горячем газе работают турбины, вращающие генераторы.

MSR-реактор работает при высокой температуре, 600 700 °C, что НЕ превышает точку кипения расплава солей. Поэтому в реакторе давление немного выше 1 кг/см², что позволяет обойтись без тяжёлого и дорогого корпуса. Еще одно преимущество MSR-реактора небольшая активная зона, что требует меньше материалов для защиты.

MSR-реактор использует торий-232 в качестве горючего, но в техническом смысле торий не является ядерным горючим, поскольку он не распадается и не может породить цепную реакцию. Но с помощью нейтрона со стороны торий можно расщепить. Эту роль выполняет уран-233. Ядро тория-232 захватывает нейтрон. После этого происходит бета-распад и изначальный торий-232 превращается через несколько промежуточных продуктов в уран-233. Таким образом, единственным расходуемым веществом является торий-232.

Расход ядерного горючего оценивается примерно в 1000 кг тория на 1000 мегаватт произведённой энергии. Высокорадиоактивных отходов производится при этом около тонны в год. Через 10 лет 83 процента из них стабилизируется, а оставшиеся 17 процентов необходимо захоронить на 300 500 лет. Плутония производится всего 30 грамм, поэтому такой реактор нельзя применить для производства оружейного плутония. Известные мировые запасы тория 2,23 миллиона тонн, приблизительные неразведанные составляют ещё 2,13 млн.т.

MSR-техника не так хорошо известна даже среди инженеров ядерной энергетики. Но её история начиналась ещё в 1940-х. До конца 1960-х были попытки приспособить такие реакторы, используя их малые габариты, в качестве источника энергии на самолёты. Первый такой опытный ректор действовал в 1954, бомбардировщик B-36 был оснащён им в 1955 1957. Ракетные технологии и межконтинентальные ракеты сделали такие самолёты, остающиеся в воздухе и не требующие дозаправки неделями, ненужными.

Главная причина того, почему MSR-реакторов сейчас нет в массовом практическом использовании, несмотря на огромные запасы сырья и малое количество отходов, торий не был сырьём для изготовления ядерного оружия. Интерес к развитию электростанций, использующих торий, остывал в 1950 1960, по мере того, как разгоралась холодная война. Мегатонны тогда были важнее мегаватт, а сейчас из мегатонн получают мегаватты треть мирового ядерного горючего на 2011 год родом из устаревшего и сокращённого ядерного оружия урана и плутония. По состоянию на 2011 год действуют 440 реакторов, из которых 350 водо-водяных реакторов в с водой под давлением.

Существующие проекты

Существующие проекты представляют из себя гомогенные реакторы (в том числе, на быстрых нейтронах), работающие на смеси расплавов фторидов Li в лития, Be в бериллия, Zr в циркония, U в урана.

Достоинства

1. Низкое давление в корпусе реактора (0,1 атм) в позволяет использовать очень дешёвый корпус, при этом исключается целый класс аварий с разрывом корпуса и трубопроводов 1-го контура.
2. Высокие температуры 1-го контура в выше 700 °C, (а в реакторах сверхвысокой температуры выше 1400) и, как следствие, высокий термодинамический КПД (до 44 % для MSBR-1000), что позволяет использовать обычные турбины от тепловых электростанций.
3. Возможно организовать непрерывную замену горючего, без остановки реактора - вывод продуктов деления из 1-го контура и его подпитку свежим топливом.
4. Меньший радиоактивный износ материалов конструкции по сравнению с водо-водяными реакторами.
5. Высокая топливная эффективность.
6. Возможность построить реактор-размножитель или конвертер.
7. Возможность использования ториевых топливных циклов, что значительно расширяет и удешевляет топливный цикл.
8. Фториды металлов, в отличие от жидкого натрия, практически не взаимодействуют с водой и не горят, что исключает целый класс аварий, возможных для жидкометалических реакторов с натриевым теплоносителем.
9. Возможность вывода ксенона (для исключения отравления реактора) простой продувкой теплоносителя гелием в ГЦН. Как следствие в возможность работать в режимах с постоянным изменением мощности.

Недостатки

1. Необходимость организовывать переработку топлива на АЭС.
2. Более высокая коррозия от расплава солей.
3. Более высокие дозовые затраты при проведении ремонта 1-го контура по сравнению с ВВЭР
4. Низкий коэффициент воспроизводства (КВ ~ 1,06 для MSBR-1000) по сравнению с жидкометалическими реакторами с натриевым теплоносителем (КВ ~ 1,6 для БН-600, БН-800)
5. Значительно большие (в 2в3 раза) по сравнению с водо-водяными реакторами выбросы трития, с которыми можно бороться подбором конструкционных материалов трубопроводов 1-го контура.
6. Отсутствие конструкционных материалов.

Проекты жидкосолевых реакторов

• Aircraft Reactor Experiment, ARE, 3 МВт, Окриджская Национальная Лаборатория (ORNL) США в построен 1954 г., работал 9 дней.
• Molten-Salt Reactor Experiment, MSRE, 8 МВт, Окриджская Национальная Лаборатория (ORNL) США в уран-ториевый реактор-размножитель на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем и отражателем, работал 25 000 часов.
• Molthen-Salt Breeder Reactor, MSBR-1000, 1000 МВт, Окриджская Национальная Лаборатория (ORNL) США в уран-ториевый реактор-размножитель на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем и отражателем. Развитие MSRE в проект коммерческого реактора. Экономическая эффективность примерно соответствует водо-водяным реакторам. Может работать как в режиме конвертера, так и реактора-размножителя.
• Denatured Molten-Salt Reactor (with once-through fueling), DMSR-1000, Окриджская Национальная Лаборатория. Проект не был осуществлён.

Литература

• В.Л .Блинкин, В.М. Новиков Жидкосолевые ядерные реакторы. в М.: Атомиздат, 1978.
• Новиков В.М., Игнатьев В.В., Федулов В.И., Чередников В.Н. Жидкосолевые ЯЭУ: перспективы и проблемы, Энергоатомиздат, М., 1990