Жидкосолевые реакторы: топливо в расплаве фторидных солей

• ≈ 660 °Cтопливная соль на выходе из активной зоны MSRE
• ≈ 460 °Cплавится соль FLiBe — ниже она застывает
• ≈ 1430 °Cкипит FLiBe при атмосферном давлении
• ≈ 7 %хрома в сплаве Hastelloy N — против 18 % в нержавеющей стали

Топливо, растворённое в соли

В привычных энергетических реакторах топливо твёрдое: таблетки в герметичных твэлах годами стоят в активной зоне, а теплоноситель омывает их снаружи. В жидкосолевом реакторе всё иначе. Уран в виде тетрафторида UF₄ растворён в расплаве фторидных солей, и этот расплав — топливная соль — сам циркулирует по контуру: в активной зоне в нём идёт цепная реакция, а в теплообменнике он отдаёт тепло.

Основу соли составляют фториды лёгких элементов — лития и бериллия, иногда натрия и циркония. Чаще других упоминают смесь фторидов лития и бериллия, FLiBe. В реакторе на тепловых нейтронах активная зона — графитовые блоки с каналами, по которым течёт соль: в ней идёт деление, а графит замедляет нейтроны. Есть и проекты без графита, на быстрых нейтронах.

У жидкого топлива нет твэлов, которые нужно изготавливать, и оболочек, которые могут потерять герметичность. Соль можно подпитывать свежим топливом и очищать во время работы, а газообразные продукты деления сами выходят из расплава. Обратная сторона — радиоактивен весь контур: топливо со всеми продуктами деления проходит через насосы, трубы и теплообменники.

Есть и промежуточный вариант — FHR, высокотемпературный реактор с солевым охлаждением. Топливо в нём твёрдое — те же микротвэлы TRISO в графите, что и в гелиевых ВТГР (о них — в статье «Газоохлаждаемые реакторы»), а соль FLiBe служит только теплоносителем. Контур остаётся низконапорным, но топливной соли с продуктами деления в нём нет.

Опыт Ок-Риджа

Первым реактором на расплаве солей стал ARE (Aircraft Reactor Experiment) в Ок-Риджской национальной лаборатории США — часть программы ядерного двигателя для самолёта. В ноябре 1954 года он несколько дней работал на мощности до 2,5 МВт; соль из фторидов натрия, циркония и урана нагревалась примерно до 860 °C. Авиационную программу позже закрыли, а опыт работы с солями остался.

Главным экспериментом стал MSRE — Molten-Salt Reactor Experiment. Реактор тепловой мощностью около 7 МВт достиг критичности в июне 1965 года и проработал до декабря 1969 года. Его топливная соль — фториды лития, бериллия, циркония и урана, причём литий был почти чистым литием-7. Соль входила в активную зону при температуре около 635 °C, выходила около 660 °C и текла по каналам между графитовыми брусками без всяких оболочек. Тепло через вторичный солевой контур сбрасывали в атмосферу: электроэнергию MSRE не вырабатывал.

Сначала MSRE работал на уране-235, а с октября 1968 года — на уране-233 и стал первым в мире реактором на этом топливе. Эксперимент показал главное: топливная соль устойчива под облучением, в поры графита почти не проникает, а сливать её в баки и заливать обратно можно многократно. Нашлись и проблемы с материалами — о них ниже.

На опыте MSRE в Ок-Ридже разработали проект жидкосолевого реактора-размножителя MSBR электрической мощностью 1000 МВт на ториевом цикле. Но в 1970-е годы программу свернули: в США, как и в СССР, ставку сделали на быстрые реакторы с натриевым охлаждением — о них в статье «Реакторы на быстрых нейтронах». Следующий жидкосолевой реактор заработал лишь в 2023 году — китайский экспериментальный TMSR-LF1 тепловой мощностью 2 МВт.

Жидкосолевые реакторы: от Ок-Риджа до Китая

• 1954ARE — первый реактор на расплаве солей, до 2,5 МВт
• 1965MSRE достиг критичности
• 1968MSRE переходит на уран-233 — первым в мире
• 1969MSRE остановлен
• 1970-епрограмму MSBR свернули
• 2023китайский TMSR-LF1 тепловой мощностью 2 МВт

В СССР жидкосолевыми реакторами с 1970-х годов занимались в Курчатовском институте: изучали соли, их взаимодействие с металлами и графитом, испытывали материалы на стендах. Позднее там разработали концепцию жидкосолевого реактора-сжигателя MOSART для «дожигания» минорных актинидов из отработавшего топлива, а вместе с ЦНИИчерметом — сплав для фторидных солей, примерно на 80 % состоящий из никеля. По данным, опубликованным в 2020 году, научный руководитель проекта исследовательского жидкосолевого реактора тепловой мощностью не более 10 МВт — Курчатовский институт, главный конструктор — НИКИЭТ.

Торий и уран-233

С жидкосолевыми реакторами часто связывают ториевый цикл. Природный торий почти целиком состоит из тория-232: сам он цепную реакцию не поддерживает, но, как уран-238, может превращаться в делящийся материал. Тория в земной коре в несколько раз больше, чем урана.

Ядро тория-232, захватив нейтрон, становится торием-233. Тот бета-распадом с периодом полураспада около 22 минут превращается в протактиний-233, а протактиний вторым бета-распадом, с периодом около 27 суток, — в уран-233. Уран-233 хорошо делится тепловыми нейтронами и даёт достаточно новых нейтронов, чтобы реактор на тепловых нейтронах в принципе нарабатывал столько же топлива, сколько сжигает, — на этом и строился проект MSBR.

Как торий-232 превращается в уран-233

1. Торий-232 захватывает нейтрони становится торием-233
2. Торий-233 → протактиний-233бета-распад, период полураспада ≈ 22 минуты
3. Протактиний-233 → уран-233второй бета-распад, период полураспада ≈ 27 суток
4. Уран-233 делитсяхорошо делится тепловыми нейтронами и даёт новые нейтроны

Жидкое топливо здесь удобно: протактиний можно выводить из соли, пока он не распался, — иначе часть его захватит нейтроны и для наработки пропадёт. Но для этого нужна непрерывная химическая переработка сильно радиоактивной соли прямо на станции, а в промышленном масштабе такой технологии нет. Сложен и сам уран-233: в нём всегда есть примесь урана-232, среди продуктов распада которого есть источник жёсткого гамма-излучения, поэтому такое топливо обрабатывают дистанционно. Как устроен привычный урановый цикл, рассказано в статье «Ядерный топливный цикл».

Соль вместо воды под давлением

Главное достоинство фторидных солей — огромный запас до кипения. Соль FLiBe плавится около 460 °C, а кипит при атмосферном давлении примерно при 1430 °C. Поэтому контур работает при давлении, близком к атмосферному, даже при 600–700 °C: в нём нет ни сжатой воды, ни пара, которые при разрыве трубы мгновенно расширяются.

Фториды химически устойчивы: с водой и воздухом соль не реагирует бурно, как натрий, а многие продукты деления — цезий, стронций, йод — образуют в ней устойчивые соединения и остаются в расплаве. На единицу объёма соль запасает примерно столько же тепла, сколько вода, а высокая температура позволяет получать пар высоких параметров.

Обратная сторона — высокая температура плавления. Соль, остывшая ниже примерно 460 °C, застывает и закупоривает трубы, поэтому весь контур — трубопроводы, насосы, теплообменники, баки — оснащают электронагревателями и теплоизоляцией и перед заливкой соли разогревают. Даже парогенератор приходится проектировать так, чтобы питательная вода не заморозила соль на стенках трубок.

Сами соли требуют аккуратности. Литий в FLiBe должен быть почти чистым литием-7: литий-6 сильно поглощает нейтроны и образует тритий, а разделение изотопов лития дорого. Соединения бериллия токсичны, и работа с ними требует защиты от пыли. Наконец, соль нужно тщательно очистить от влаги, оксидов и металлических примесей — иначе она начнёт разъедать металл.

Замороженная пробка и дренажные баки

Главная особенность безопасности жидкосолевого реактора — топливо можно просто слить. Под активной зоной стоят дренажные баки такой формы и размеров, что цепная реакция в них невозможна, а остаточное тепло от них отводит своя система охлаждения. Сливной трубопровод перекрыт замороженной пробкой — участком трубы, который охлаждают снаружи, чтобы соль в нём застыла.

Пока пробку охлаждают, соль остаётся в контуре. Если пропадёт электропитание или соль перегреется, пробка расплавится, и топливо самотёком уйдёт в дренажные баки. В MSRE такие «замороженные клапаны» работали годами: при длительных остановках соль сливали в баки, а перед пуском снова заливали в контур. В новых проектах пробку рассчитывают так, чтобы она плавилась сама, без команд оператора и электропитания.

Помогает и физика. При нагреве соль расширяется, часть её вытесняется из активной зоны, делящихся ядер в зоне становится меньше, и реактивность падает: температурный коэффициент реактивности топливной соли отрицателен. Рост мощности сам себя гасит, как и в ВВЭР.

Низкое давление снимает целый класс аварий: нет энергии сжатого теплоносителя и нет циркониевых оболочек, которые при перегреве реагируют с паром с выделением водорода. Но свои барьеры нужны и здесь: пролитую соль собирают поддоны, откуда она стекает в дренажные баки, а газообразные продукты деления удерживает система газоочистки.

Жидкосолевой реактор (схема). Топливо растворено в расплаве фторидных солей: горячая соль проходит каналы в графитовой активной зоне, где идёт цепная реакция, насос гонит её через теплообменник, и тепло уходит во вторичный солевой контур, а из него — к парогенератору. Контур работает почти без давления. Под активной зоной — пробка из замёрзшей соли: если она растает, например при потере охлаждения, соль сама стечёт в дренажные баки.

Коррозия, газы и тритий

Главная инженерная проблема жидкосолевых реакторов — коррозия. В воде нержавеющую сталь защищает тончайшая оксидная пассивная плёнка — об этом рассказано в статье «Коррозия на АЭС». Во фторидном расплаве такая плёнка не держится: оксиды в нём растворяются, и металл контактирует с солью напрямую.

Поэтому коррозия идёт иначе. Окислители в соли — влага, фтороводород, фториды металлов-примесей и сам фторид урана — отбирают у сплава прежде всего хром, самый активный из его основных элементов. Хром уходит в расплав, а в металле у поверхности остаются пустоты. В горячей части контура металл растворяется быстрее, а в холодной часть растворённого осаждается обратно. Нержавеющие стали с 18 % хрома корродируют в таких условиях заметно быстрее никелевых сплавов.

Для MSRE в Ок-Ридже создали никелевый сплав INOR-8, позже названный Hastelloy N: около 16 % молибдена, около 7 % хрома, немного железа. Соль он выдержал хорошо, но эксперимент выявил две проблемы. Теллур — один из продуктов деления — проникал по границам зёрен и вызывал на поверхности металла мелкие межзёренные трещины. А под облучением в сплаве накапливался гелий, и при высокой температуре металл терял пластичность. Позже состав сплава доработали.

Коррозию сдерживают и химией расплава: соль держат чистой и слегка восстановительной — например, переводят небольшую долю урана в трифторид UF₃. Это своего рода водно-химический режим, только для соли.

Почему коррозия в соли идёт иначе, чем в воде

Вторая проблема — продукты деления. Криптон и ксенон выходят из расплава, их отводят в систему газоочистки и выдерживают там до распада; в MSRE для этого часть соли разбрызгивали в газовой полости насоса. Так называемые благородные металлы оседают на стенках и в теплообменниках, остальные продукты деления копятся в соли, и её приходится очищать — дистанционно, в защищённых камерах.

Третья — тритий. Он образуется под нейтронами из лития и бериллия, а при 600–700 °C легко проникает сквозь стенки трубок теплообменника и может уйти во вторичный контур и дальше в пар, поэтому его приходится улавливать. Всё это делает жидкосолевой реактор не только энергетической, но и сложной химико-технологической установкой.

Что важно изготовителю

Оборудование топливного контура работает при 600–700 °C в расплаве, агрессивном для обычных сталей, и после пуска становится сильно радиоактивным. Отсюда особые требования к материалам и конструкции.

• Никелевые сплавы. Корпус, трубопроводы, насосы и теплообменники топливного контура делают из никелевых сплавов типа Hastelloy N или их отечественных аналогов. В сертификате на металл важны не только состав и механические свойства, но и свойства при рабочей температуре и ограничения по примесям.
• Чистота. Влага, окалина, следы масел и смазочно-охлаждающих жидкостей на внутренних поверхностях становятся окислителями, которые разъедают металл. Детали очищают и сушат, а контур перед заполнением прогревают и продувают инертным газом.
• Сварка. Никелевые сплавы при сварке склонны к горячим трещинам, поэтому нужны аттестованная технология и защита аргоном. Щелей и непроваров быть не должно: соль, затёкшая в щель, застывает в ней и разъедает металл.
• Теплообменники. Топливная соль отдаёт тепло чистой вторичной соли, а та — воде и пару. Трубки, трубные доски и уплотнения теплообменника «соль — соль» рассчитывают на высокую температуру и так, чтобы соль не застывала в узких местах при остановках.
• Графит. Блоки активной зоны — из мелкозернистого графита с очень мелкими порами, чтобы соль в него не проникала; каналы для соли выполняют с точными размерами.
• Дистанционная замена. Насосы, теплообменники и арматуру топливного контура проектируют так, чтобы их можно было заменить дистанционно: после пуска подходить к ним нельзя.

Для заказчика это значит, что к привычным требованиям атомных норм добавляются коррозионные испытания в соли при рабочей температуре и строгий контроль чистоты на всех этапах — от выплавки металла до заполнения контура. Промышленных жидкосолевых энергоблоков ещё не было, поэтому требования к материалам и изделиям во многом уточняют по результатам испытаний опытных установок.

Термины

• Жидкосолевой реакторРеактор, в котором топливо растворено в расплаве солей, циркулирующем через активную зону и теплообменник.
• Топливная сольРасплав фторидов лития, бериллия и других элементов с растворёнными фторидами урана или тория.
• FLiBeСмесь фторидов лития и бериллия — основа топливных и охлаждающих солей.
• FHRВысокотемпературный реактор с твёрдым топливом TRISO, охлаждаемый расплавом фторидной соли.
• Замороженная пробкаУчасток сливной трубы с застывшей солью; при перегреве или потере охлаждения он расплавляется и открывает слив в дренажные баки.
• Дренажный бакЁмкость под реактором, в которую сливают топливную соль; её форма исключает цепную реакцию.
• Ториевый циклТопливный цикл, в котором из тория-232 нарабатывают делящийся уран-233.
• Hastelloy NНикелевый сплав с молибденом и хромом, созданный в Ок-Ридже для работы в расплавах фторидных солей.

Частые вопросы

Что такое жидкосолевой реактор?

Реактор, в котором ядерное топливо растворено в расплаве фторидных солей. Расплав циркулирует по контуру: в активной зоне в нём идёт цепная реакция, а в теплообменнике он отдаёт тепло; твэлов и оболочек в таком реакторе нет.

Почему жидкосолевой реактор работает без высокого давления?

Фторидные соли кипят при очень высокой температуре — FLiBe примерно при 1430 °C при атмосферном давлении. Поэтому даже при 600–700 °C давление в контуре близко к атмосферному.

Что такое замороженная пробка?

Участок сливной трубы, где соль намеренно заморожена внешним охлаждением. Если охлаждение пропадёт или соль перегреется, пробка расплавится, и топливная соль самотёком уйдёт в дренажные баки, где цепная реакция невозможна.

При чём здесь торий?

Из тория-232 в реакторе нарабатывается уран-233 — хорошее топливо для реакторов на тепловых нейтронах. Жидкое топливо позволяет выводить промежуточный протактиний-233 и очищать соль на ходу, хотя промышленной технологии такой переработки нет.

Строились ли жидкосолевые реакторы?

Да: в Ок-Ридже (США) работали экспериментальные реакторы ARE (1954) и MSRE (1965–1969), а в 2023 году в Китае достиг критичности экспериментальный TMSR-LF1 тепловой мощностью 2 МВт.