Американские ученые преодолели главное препятствие на пути к созданию ядерного реактора на расплавах солей

Национальная лаборатория Айдахо (INL) преодолела серьёзное препятствие на пути к созданию ядерного реактора четвёртого поколения. Используя новый процесс, команда учёных разработала эффективный способ переработки топлива для передовых реакторов на расплавах солей.

Одним из важных факторов, способствующих возрождению ядерной энергетики в XXI веке, является разработка новых конструкций реакторов, которые всего пару десятилетий назад были экспериментальными и имели лишь ограниченные перспективы практического применения.

Одним из классов этих так называемых электростанций четвертого поколения или Gen IV являются реакторы на расплавленной соли, в которых топливные стержни из обогащенного урана или плутония и водяной замедлитель / хладагент заменяются смесью ядерного топлива и расплавленной соли. На первый взгляд эта концепция кажется немного странной, но она обеспечивает всевозможные преимущества по сравнению с обычными реакторами на воде под давлением, используемыми сегодня.

Существует несколько различных типов реакторов на расплавах солей, но у них есть ряд общих черт.

Во-первых, 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 является самоограничивающейся. Кроме того, опасные или вредные газы, такие как водород и ксенон, легко удаляются с помощью простого химического процесса.

Поскольку реакторы на расплавах солей работают при температуре около 600 °C, их эффективность на 50% выше. Они могут непрерывно перерабатывать топливо, что сокращает количество ядерных отходов, а также добавлять новое топливо и удалять отходы с помощью, по сути, водопровода.

Они также довольно гибкие и могут работать на различных видах топлива, что помогает не только с экономической точки зрения, но и в борьбе с распространением ядерного оружия. Не говоря уже о том, что конструкции реакторов могут быть модульными и легко адаптироваться для небольших установок, которые можно использовать в различных отраслях промышленности, включая добычу нефти, производство водорода, опреснение воды, плавучие электростанции и судовые двигатели.

Всё это звучит хорошо, но почему реакторы на расплавах солей не были построены раньше? Ответ заключается в том, что такие реакторы использовались с самого начала ядерной эры. На самом деле, в одном из первых проектов реактора, разработанных для Манхэттенского проекта союзников по созданию первой атомной бомбы, использовалась суспензия соли и урана. Однако этот реактор просуществовал недолго, потому что не хватало уранового топлива, а конструкция с расплавленной солью не подходила для производства плутония, поэтому Оппенгеймер и его коллеги выбрали графитовый реактор.

С тех пор было реализовано несколько проектов с использованием расплавленной соли, в том числе для подводных лодок и самолётов, но они так и не получили широкого распространения. Это связано с тем, что ядерные реакторы далеко не так просты, как может показаться по иллюстрациям в школьных учебниках.

Несмотря на свои преимущества, у реакторов на расплавах солей есть недостатки. Они подвержены коррозии, а также тепловому и нейтронному воздействию. Кроме того, соли разрушают защитные оксидные слои на металлических компонентах. Также существует проблема переработки топлива, которая механически проста, но усложняется, если учесть, что топливо радиоактивно.

Помимо всего прочего, ядерные реакции, основанные на протекании смесей горячих жидкостей, затрагивают некоторые области ядерной физики, которые с технической точки зрения являются спорными. Не хватает не только стандартизированных вычислительных инструментов для моделирования физики реакторов, но и ограниченного понимания того, как длительная эксплуатация влияет на конструкционные материалы.

И если этого недостаточно, чтобы заставить инженера-ядерщика побледнеть, то есть ещё проблема с изготовлением топлива для реактора. Нельзя использовать металлический уран, как в обычных топливных стержнях. Он должен быть в форме, которая растворяется в хлоридных солях. Это означает, что речь идёт о какой-либо форме хлорида урана, например, о трихлориде урана (UCl₃) или тетрахлориде урана (UCl₄), которые имеют ряд недостатков, включая сложность производства, химическую стабильность и реакционную способность, необходимость дополнительных этапов химической обработки и проблемы с коррозией.

Именно с этой проблемой сталкивается эксперимент INL по реактору с расплавленным хлоридом (MCRE). С 2020 года техническая команда 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 планирует построить первый в мире реактор на расплавах солей с быстрым спектром нейтронов. Демонстрационный реактор планируется запустить к 2028 году, а коммерческую версию — к 2035 году.

Проблема в том, что в 2020 году INL могла производить только две-три унции (от 57 до 85 г) топлива за раз. К сожалению, для достижения критического состояния в конечном реакторе требуется три с половиной тонны. Поэтому INL работает с обедненным ураном, который намного дешевле, но химически идентичен расщепляющемуся урану, чтобы производить больше топлива за одну партию.

Методом проб и ошибок, в сочетании с изготовленной на заказ прототипной печью и специализированным оборудованием, команда нашла способ сочетать точные условия, ингредиенты и методы для производства 18 кг (39 фунтов) за раз.

По данным INL, следующим шагом станет производство ещё пяти партий к октябрю 2025 года, чтобы продемонстрировать потенциал для полномасштабного производства обогащённого ядерного топлива и загрузить MCRE для проведения первых реакторных экспериментов. Они направлены на изучение поведения нейтронов в реакторе, проверку теоретических моделей для хлоридных реакторов с быстрым спектром, измерение стабильности топлива, оценку коррозионной стойкости конструкционных материалов в хлоридных солях и изучение радиационного повреждения материалов защитной оболочки.

«Мы начали с того, что тратили слишком много доступного нам металлического урана, и мы не смогли бы произвести достаточно топливной соли, чтобы реактор достиг критического состояния, — сказал Ник Смит, директор проекта MCRE. – После многих лет экспериментов и доработок мы, наконец, нашли правильный процесс, чтобы добиться идеального результата. Требуется особая настойчивость, чтобы продолжать работать над проблемой, когда нет гарантии, что вы найдёте решение».

Источник: New Atlas