Интегральный реактор на расплавленной соли и преимущества жидкостного реактора деления

Dec 29, 2023

Хотя большинству термин «реактор деления» напоминает что-то близкое к обычно эксплуатируемым легководным реакторам (LWR), которые работают с использованием простой воды (H2O) в качестве теплоносителя и с медленными тепловыми нейтронами, существует ошеломляющее количество других конструкций. возможный. Некоторые из них используются десятилетиями, например, канадские тяжеловодные реакторы (D2O) (CANDU), тогда как другие только сейчас начинают делать первый шаг к коммерциализации.

К ним относятся высокотемпературные реакторы с гелиевым охлаждением, такие как китайский HTR-PM, а также относительно необычный тип, разработанный Terrestrial Energy, который называется Интегральный реактор на расплавленной соли (IMSR). Эта канадская компания недавно прошла второй этап предварительного лицензирования поставщиков Канадской комиссией по ядерной безопасности (CNSC). Что делает IMSR таким интересным, так это то, что, как следует из названия, он использует расплавленные соли: как в качестве теплоносителя, так и в качестве низкообогащенного уранового топлива, а также производит топливо из воспроизводящих изотопов, которые могли бы остаться в LWR как часть отработавшего топлива.

Так почему же вы хотите, чтобы ваше топливо было жидким, а не твердым топливом, как в большинстве сегодняшних реакторов?

Несмотря на то, что многие конструкции реакторов, недавно лицензированные или собирающиеся получить лицензию в 2020-х годах, кажутся футуристическими, практически все они были концептуализированы в той или иной форме до 1960-х годов, и для многих уже были построены прототипы. То же самое касается и реакторов на расплавах солей (MSR), в которых Национальная лаборатория Ок-Риджа (ORNL) создала ряд прототипов, начиная с 1954 года, когда Эксперимент с авиационным реактором (ARE) достиг первой критичности. ARE была ответвлением программы авиационных ядерных силовых установок (ANP), которая зародилась в ВВС США до того, как была передана Комиссии по атомной энергии (AEC).

После этого проект оказался в ORNL, где первоначальная конструкция твердого топлива была заменена смесью расплавленной соли и топлива из-за опасений по поводу стабильности реакции при высоких температурах, которые могла бы решить конструкция MSR. После отмены программы ANP технологии MSR от ARE и последующие разработки были использованы для чисто гражданского проекта: эксперимента с реактором на расплавленной соли (MSRE).

Как и ARE, MSRE использовало расплавленное топливо, хотя и другого состава. ARE использовала 53,09 мольных % NaF, 40,73 мольных % ZrF4 и 6,18 мольных % UF4 в качестве смеси соли и топлива с ураном-235 в качестве делящегося материала. Замедлитель нейтронов также был заменен с оксида бериллия (BeO) в ARE на пиролитический графит в MSRE.

MSRE использовала 7LiF – BeF2 – ZrF4 – UF4 (65 – 29,1 – 5-0,9 мольных %), следуя урокам, извлеченным из смеси солей ARE. Первоначально в смеси теплоносителя и топлива первого контура использовалось 33% (обогащенного) урана-235, прежде чем перейти к использованию урана-233, полученного из тория, в реакторах-размножителях. Хотя можно было настроить MSRE на использование солей тория для получения собственного топлива, в экспериментах это не было сделано, а вместо этого проводились нейтронные измерения. Однако это затрагивает одно из преимуществ MSR, заключающееся в том, что они могут быть реакторами на быстрых нейтронах в отличие от LWR с водяным замедлителем, что делает их способными производить собственное топливо из воспроизводящих изотопов, включая трансурановые соединения и актиниды, образующиеся в результате исходного топлива. урановое топливо. Другим преимуществом MSR является то, что они могут работать при очень высоких температурах (820 °C для ARE, 650 °C для MSRE) благодаря высокой термической стабильности и теплоемкости хладагента, при этом не требуя давления, наблюдаемого при использовании легкой воды под давлением. реакторы (PWR), температура на выходе которых обычно составляет около 300 °C.

Рабочая температура в конечном итоге определяет, с какими процессами и турбинами он совместим, поскольку промышленные процессы часто требуют температур, намного превышающих те, которые могут обеспечить LWR. MSR, способный обеспечить постоянный источник тепла с температурой >600 °C, был бы чрезвычайно практичен для этих применений, а также увеличил бы тепловой КПД производства электроэнергии с помощью паровых турбин.

В течение пятилетнего срока службы MSRE он предоставил важную информацию о поведении топлива как 235U, так и 233U, а также о производстве и обращении с газообразным ксеноном (нейтронным ядом), стабильности графитового замедлителя и устойчивости использованной соли любому виду радиации, которому она подверглась. Он также подтвердил, что новый металлический сплав, разработанный в ORNL, противостоит коррозионному воздействию горячей соли, который представляет собой никель-хром-молибденовый сплав под названием Hastelloy N.