Жидкосолевой реактор разрабатывают к 2031 году

Аватар пользователя Cobold

В конце прошлого года «СР» сообщила о старте проектирования первого в России исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР) для отработки технологии дожигания долгоживущих отходов ядерной энергетики — ​минорных актинидов. О технических особенностях инновационной установки и перспективах проекта рассказали специалисты организации — ​главного конструктора ИЖСР: заместитель гендиректора НИКИЭТ им. Доллежаля по НИОКР Александр Лопаткин и главный конструктор исследовательских и изотопных реакторов Игорь Третьяков.

 

Справка

Жидкосолевой реактор, или реактор на расплавах солей, — ​это установка, в которой активную зону формирует гомогенная расплавленная смесь из фторидов солей и фторида делящегося материала (урана, плутония или тория). Топливная композиция одновременно служит теплоносителем первого контура. ЖСР обладает свойством естественной безопасности: температурный и пустотный коэффициенты в нем отрицательные, что исключает тяжелые аварии типа чернобыльской. Температура в активной зоне очень высокая, порядка 700 °C, но давление в контуре отсутствует, что повышает безопасность реактора.

 

— Для ученых-атомщиков и специалистов НИКИЭТ в частности тематика ЖСР совершенно новая или уже есть какие-то наработки?

 

Александр Лопаткин: Тематика жидкосолевых реакторов развивается в мире довольно давно — ​с 1960-х годов, но это не реализованная в промышленном виде технология. С одной стороны, она сулит большие преимущества. Для реактора на расплаве солей не надо изготавливать и перерабатывать тепловыделяющие элементы и топливные сборки. С другой — ​где преимущества, там и недостатки. Использование расплавленного топлива означает, что установка лишена привычных барьеров безопасности: нет твердой матрицы, оболочки, контура циркуляции. Это требует особо пристального внимания и, возможно, новых подходов к обоснованию безопасности ЖСР. Надо понять, насколько концепция этой установки вписывается в существующую нормативную базу, разработанную для реакторов с твердым топливом. Первые же наши проработки показали, что обосновать безопасность можно, но, вероятно, нужно будет дополнить или подправить нормативную базу.

В России головной организацией по направлению жидкосолевых реакторов является НИЦ «Курчатовский институт», который с 1970-х годов занимался этой тематикой. Даже когда тематику не финансировало государство, центр находил возможность ее поддерживать. Мы в НИКИЭТ по поручению Николая Доллежаля до начала 1990-х годов занимались созданием быстрого жидкосолевого реактора. Было разработано техническое предложение и эскизный проект установки на расплавах хлоридных солей, но потом финансирование этих работ прекратилось.

— Почему сейчас эта тематика снова стала акту­альной?

А. Л.: С середины 2000-х годов в России начаты работы по созданию опытно-демонстрационного центра по переработке ОЯТ на Горно-химическом комбинате. При переработке топлива образуются минорные актиниды. Что с ними делать — ​вопрос до сегодняшнего дня не решенный. Лет пять — семь назад в Курчатовском институте родилась идея: построить на ГХК, рядом с центром по переработке, жидкосолевой реактор-дожигатель, который будет решать проблему актинидов, когда потребуется их утилизировать в промышленном масштабе. Мощность такого ЖСР может быть от 1,5 до 2,5 ГВт. Но сначала надо отработать технологию. С этой целью в 2019 году в «Росатоме» принято решение для начала построить на ГХК исследовательский реактор небольшой мощности, а также комплекс производства и переработки топлива для него. НИКИЭТ определен главным конструктором жидкосолевой исследовательской реакторной установки. Предполагается, что научным руководителем ЖСР-проекта станет Курчатовский институт.

— Работы финансируются в рамках единого отраслевого тематического плана НИОКР?

А. Л.: Да, с 2019 года. До этого много лет мы помогали Курчатовскому институту в разработке большого ЖСР: проводили расчеты, делали конструктивные схемы. Но работа именно по заказу госкорпорации началась с прошлого года.

— Расскажите о технических характеристиках проектируемой установки.

 

Игорь Третьяков: Тепловая мощность исследовательского жидкосолевого реактора составит не более 10 МВт. По рекомендации Курчатовского института выбран тип соли — ​на основе фторидов лития и бериллия (FLiBe). В ней будут растворять тетрафториды плутония и минорных актинидов, это и будет топливом реактора. Выбран основной конструкционный материал для наиболее нагруженных элементов установки: корпуса, трубопровода, теплотехнического оборудования и т. д. Это сплав, на 80 % состоящий из никеля. Его разработали специалисты Курчатовского института и «ЦНИИчермета». Ученые исследовали коррозионные свойства взаимодействия топливной соли с этим материалом, поэтому пока выбрали его — ​сроки реализации технического проекта очень сжатые, надо идти по наиболее ясному пути. Но вполне возможно, что по результатам НИОКР мы рассмотрим и другие материалы, и другие соли.

 

— Где и как будут испытывать топливо для жидкосолевого реактора?

А. Л.: Коррозионные испытания без топлива, с имитаторами продуктов деления, уже начал Курчатовский институт на своих стендах. Есть в рамках проекта программа разработки облучательных ампул, которые будут заполнять топливной солью и испытывать в реакторах НИИАР и ИРМ. В 2024 году или чуть позже будет создана петлевая установка — ​можно сказать, фрагмент жидкосолевого реактора. Возможность создания ЖСР-петли заложена в проект сооружаемого реактора МБИР, но, в принципе, можно ее сделать и на действующих реакторах НИИАР — ​СМ или МИР. Или же на реакторе ИВВ‑2М в Институте реакторных материалов.

— Этот реактор будет только дожигателем или энергию он тоже будет производить?

А. Л.: Пока такой задачи перед нами научный руководитель не ставит. Вот если после исследовательского появится большой промышленный реактор, там будет, естественно, турбина, он будет давать около 1000 МВт. В исследовательских реакторах турбинная часть всегда входит в некоторый конфликт с исследовательской программой: исследования краткосрочные, а производство электроэнергии — ​это постоянный, стабильный процесс. Но мы будем работать в тесном контакте с ГХК, не исключено, что в процессе разработки будет решено обеспечить генерацию 2–3 МВт энергии — ​тогда будем добавлять турбину, хотя это, бесспорно, повысит стоимость сооружения ИЖСР.

— Каковы сроки реализации проекта?

И. Т.: В 2024 году мы должны закончить технический проект установки. К этому моменту надо знать полный состав оборудования, определить стоимость сооружения, чтобы будущий инвестор знал, во сколько обойдется строительство и эксплуатация ИЖСР с модулем переработки топлива. А ГХК в 2024 году должен получить лицензию на размещение. Это значит, что существенную часть обосновывающих НИОКР мы должны выполнить тоже до 2024 года. Таковы задачи, которые ставит перед разработчиками госкорпорация.

А. Л.: Затем в 2027 году планируется получить лицензию на строительство, а в 2031 году этот реактор пустить на Горно-химическом комбинате.

— Давайте вернемся к обоснованию безопасности. Как все-таки будете доказывать, что реактор безопасен, если снимаются три барьера безопасности из четырех?

А. Л.: Конечно, нужно очень позаботиться о радиационной безопасности. Скорее всего, реактор будет построен в подгорной части комбината, на месте бывшего машинного зала подземной АТЭЦ — ​место само по себе уже достаточно изолировано от внешней среды. Я подчеркиваю, что мы не снимаем барьеры безопасности. Мы заменяем одни барьеры другими. Одно из наших предложений — ​поместить реакторную установку в герметичную капсулу. Это еще один новый барьер безопасности.

Жидкосолевой реактор имеет отрицательный коэффициент реактивности, так что с точки зрения доказательства ядерной безопасности проблем не предвидится. Естественно, система управления реактором будет выполнена в полном соответствии с современными нормативными требованиями.

Концептуальный проект исследовательского жидкосолевого реактора

— Какие организации помимо НИКИЭТ и Курчатовского института участвуют в проекте?

А. Л.: ВНИИНМ им. Бочвара отвечает за создание топливного цикла ЖСР: изготовление, переработку топлива и обращение с радиоактивными отходами. НИИАР будет заниматься радиационным облучением и послереакторными исследованиями материалов. РФЯЦ-ВНИИТФ поможет расчетами, нейтронно-физическими экспериментами, а также намерен войти в программу по коррозионным испытаниям материалов — ​у них есть для этого специальная установка. В ФЭИ планируется сделать нейтронно-физический стенд для обоснования кодов безопасности. Это основные контрагенты, а вообще их очень много.

— Стратегия развития российской атомной отрасли, принятая в 2018 году, предполагает, что к концу века ядерная энергосистема станет двухкомпонентной, ее основу составят быстрые и тепловые реакторы. А какую роль будут играть ЖСР?

А. Л.: ЖСР в этой стратегии пока нет, но председатель научно-технического совета «Росатома» академик Георгий Рыкованов уже поставил задачу рассмотреть возможную роль такой установки в атомной отрасли. Жидкосолевые реакторы могут стать решением проблемы высокоактивных долгоживущих отходов на площадке переработки топлива. Со всех реакторов ВВЭР топливо перевозим на ГХК. Там его перерабатываем и делим на части: уран, плутоний возвращаем потребителям, минорные актиниды дожигаем, продукты деления размещаем на временное хранение, и далее они будут захораниваться. Таким образом, в энергетике будущего ВВЭР и быстрые реакторы станут основными поставщиками энергии. Быстрые реакторы будут также воспроизводить делящиеся материалы для себя и для ВВЭР. А жидкосолевые реакторы станут разбираться с актинидами.

Если проект исследовательского реактора окажется успешным, технология ЖСР, безусловно, получит развитие. Возможно, будет воплощена старая концепция быстрого реактора на расплавах солей. У ученых Курчатовского института и НИКИЭТ есть идея сделать бланкет на расплавах солей для термоядерного реактора. Очень важно, что госкорпорация поддержала эту технологию. Если у нас все получится, приложений может быть множество.

И. Т.: Было бы правильно завершить нашу беседу словами благодарности Курчатовскому институту, его специалистам, которые более двух десятилетий своими работами поддерживали жидкосолевую тематику, что позволяет проекту ИЖСР стартовать с достаточно проработанной базы расчетных данных.

 

Алексей Ананьев

главный научный сотрудник ВНИИНМ, руководитель проекта по созданию топливного цикла ЖСР

— Топливом для реактора на расплавах солей будет тетрафторид плутония из переработанного топлива реакторов ВВЭР, растворенный в смеси фторидов лития и бериллия (соль FLiBe). В смесь также будут добавлять фториды минорных актинидов для их выжигания. Мы долго обсуждали, какую композицию выбрать: соль на основе фторидов лития, натрия и калия FLiNaK или FLiBe. У FLiNaK есть преимущество — ​растворимость делящихся материалов в ней выше. Но пока нет готового конструкционного материала, коррозионно-устойчивого к расплаву фторидов лития, натрия и калия. FLiBe менее активна в отношении тех материалов, которыми мы уже располагаем. Поэтому пока выбрали ее. Но FLiNaK остается в проекте как запасной вариант, потому что работы по созданию новых конструкционных материалов не прекращаются. Возможно, в процессе развития работ по проекту перейдем на эту композицию.

У жидкосолевых реакторов нет ограничений по глубине выгорания топлива, потому что отсутствуют твэлы и их оболочки. Но нужно периодически чистить топливную композицию, чтобы сохранять нейтронно-физический и реактивностный баланс. ВНИИНМ разрабатывает технологию трехстадийной экстракции «вредных» компонентов из ОЯТ ЖСР. Она будет основана на извлечении компонентов топливной соли из расплава при помощи жидкого висмута. В висмут вводится восстановитель — ​металлический литий. На первой стадии экстрагируем продукты коррозии, на второй — ​остаточный плутоний и минорные актиниды (они сгорают в реакторе, но не на 100 %), на третьей — ​лантаниды. Переработанное топливо возвращается в цикл.

В процессе переработки топлива будут образовываться в основном относительно короткоживущие РАО: цезий, стронций, цирконий, молибден. Период полураспада этих радионуклидов — ​30–50 лет. То есть через 500 лет остаточная радиоактивность таких РАО станет ничтожной. Это разумный срок для контролируемого приповерхностного хранения, оно обойдется гораздо дешевле и будет безопаснее, чем глубинное захоронение минорных актинидов.

Авторство: 
Копия чужих материалов
Комментарий автора: 

Еще один этап в замыкании ядерного цикла и уменьшении количества ядерных отходов. Причем самой неприятной части ядерных отходов, с которой на данный момент хуже всего получается управляться. 

Сделано уже немало, но и предстоит сделать еще очень много.

Комментарии

Аватар пользователя verba
verba(6 лет 3 месяца)

вообще это наше энергетическое будущее, солевые расплавы - бесконечная радиационная стойкость. 

Комментарий администрации:  
*** Я - шовинист, фашист (с) ***
Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

Поясните, пожалуйста, что вы понимаете под словосочетанием "бесконечная радиационная стойкость"? 

Аватар пользователя verba
verba(6 лет 3 месяца)

"шуба" из расплава солей не подвержена радиационным изменениям (распухание, охрупчивание), или пренебрежимо мало изменима. Ну если вы понимаете расплав, то и вопросов быть не должно

Комментарий администрации:  
*** Я - шовинист, фашист (с) ***
Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

Соль не является достаточно эффективным поглотителем нейтронов, так что нейтронные нагрузки на корпус реактора и прочие конструкционные элементы по-прежнему остаются, вместе с охрупчиванием и всеми прочими вопросами. Кроме того, есть вопрос коррозионной стойкости конструкционных материалов корпуса к расплаву соли. Этим вопросом в Бочвара занимаются уже лет 20, по флинаку, и не слишком успешно, почему и анонсировали замену расплава на флибе. И в-третьих, сам расплав соли изменениям мало подвержен (надо смотреть на нейтронно-активационные реакции компонентов соли, конечно, но это уже слишком сложно для забесплатно и в выходной день), но продукты распада ядер деления в расплаве соли остаются и физхимическую обстановку в активной зоне совсем не упрощают.

Так что вопросы есть. 

Аватар пользователя verba
verba(6 лет 3 месяца)

ну и к чему тогда было обсуждать, если вы сами все понимаете. Но я б тут сказал, что вопрос пошире, имея температуру, мы можем иметь толщину расплава и прочее. Но корпус конечно нужен из супер керамики

Комментарий администрации:  
*** Я - шовинист, фашист (с) ***
Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

Обсуждать стоит потому, что "бесконечной радиационной прочности" в ЖСР нет.

Поясните, пожалуйста, что вы понимаете под "толщиной расплава" и как она связана с температурой.

Корпус из керамики здесь совершенно точно не подойдет, недостаточная пластичность.

Аватар пользователя просто пользователь

Он имеет ввиду, что на корпус можно "наморозить" некоторую часть соли, что будет предохранять корпус от контакта с расплавом солей.

Аватар пользователя просто пользователь

Но корпус конечно нужен из супер керамики

Керамика не стойка к фторидам. Тем более при таких температурах и под действием радиации.
А так как есть возможность во время ТО осушить реактор от расплава, то проще и дешевле периодически менять внутренний вкладыш в реактор.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

Какая именно керамика не стойка к фторидам, скажите пожалуйста? О какой именно керамике вы говорите? Где можно прочитать о стойкости этой керамики к фторидам и под воздействием радиации?

Или вы из общих соображений говорите, потому что вам так бытовая интуиция подсказывает?

Аватар пользователя просто пользователь

Керамика - это сплавы оксидов металов и/или неметалов, как вариант, соли кислородсодержащих кислот некоторых металлов в высшей степени окисления, типа титаната бария. Но они все не стойки ко фторидам. Фтор постепенно замещает кислород, а фториды переходят в расплав.
Даже оксид алюминия в таких условиях начнёт переходить в гексафторалюминат лития.

Аватар пользователя просто пользователь

Этот расплав солей будет постепенно растворять корпус реактора. Нужно будет предусматривать возможность его восстановления. Например, устанавливать какие-то сменные вкладыши в реактор.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

При правильно подобранном материале корпуса - не будет. Работы по исследованию стойкости материалов к самой соли еще не закончены, а по исследованию стойкости материалов к раствору делящегося материала в расплаве соли - еще не начаты.

Вкладыши здесь не помогут, эта машина должна работать десятилетия без остановки, с постоянной частичной заменой вещества активной зоны. 

Аватар пользователя просто пользователь

Там дополнительная проблема в том, что в этом расплаве со временем будет вся таблица Менделева в том или ином количестве находиться. А сильное ионизирующее излучение будет разрушать любые химические соединения. Сомневаюсь, что удастся найти материал бесконечно долго устойчивый при 700 градусах ко фтору, хлору, йоду, кислороду и прочим.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

Именно поэтому я и написал, что реактор должен работать в условиях частичной замены вещества активной зоны. Часть расплава убирается для фильтрации от растворенных примесей, и замещается свежим расплавом. Концентрация примесей отслеживается и поддерживается на безопасном уровне.

Ну по крайней мере так это описывали в докладах на конференциях по этой тематике.

 

Аватар пользователя просто пользователь

эта машина должна работать десятилетия без остановки

ТО в любом случае придётся делать. И наиболее уязвимыми к расплаву окажутся трубопроводы и насосы.

Аватар пользователя дровосек
дровосек(8 лет 2 месяца)

Будущее - термояд, всё остальное топтание на месте.

Аватар пользователя просто пользователь

Термояд уже со времён изобретения водородной бомбы практически буксует на одном и том же месте.

Аватар пользователя дровосек
дровосек(8 лет 2 месяца)

Конечно - конечно, Вы наверно и в деда Мороза верите.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

Конечно.

В процессе взрыва термоядерного заряда термоядерные реакции происходят - много, быстро и активно. Поглотить эту энергию и использовать ее в своих целях человек еще не научился. 

Это как Джинн из сказки - города разрушать мы ему приказывать уже умеем, а вот дворцы строить - пока нет.

Аватар пользователя просто пользователь

Застряли на удержании достаточно плотной плазмы. Мне кажется в земных условиях допилить не получится. В условиях невесомости - ещё возможно построить монстра в полкилометра диаметром, где удастся удерживать плазму с необходимой температурой вдали от стенок.

Скрытый комментарий Музыкант (c обсуждением)
Аватар пользователя Музыкант
Музыкант(5 лет 8 месяцев)

Охренеть можно от того как они никуда не спешат! Эти люди буквально привыкли паразитировать и теперь живут вообще в другом измерении времени.smile3.gif

Комментарий администрации:  
*** Отключен (В России народ не тот - поэтому большевики смогли прорваться к власти, сумев сагитировать только отсталых обезьян (с)) ***
Аватар пользователя дровосек
дровосек(8 лет 2 месяца)

вот именно  

Аватар пользователя verba
verba(6 лет 3 месяца)

ну поспеши.. идее лет 40-50 уже, а реализации нет. Нужны материалы коррозионно стойкие к расплавам солей радиационных элементов. Помимо химической активности, нужно противостоять большой плотности радиационного потока, плюс ктр и прочие прочностные характеристики. Плюс циркуляция расплава. теплосъем.  Но это единственный вариант для долгосрочного замкнутого ядерного реактора (например в космосе). Если не сможем в термояд.

Комментарий администрации:  
*** Я - шовинист, фашист (с) ***
Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

За какое время лично вы беретесь решить эту задачу?

Аватар пользователя дровосек
дровосек(8 лет 2 месяца)

Её в принципе не надо решать, все силы на термояд. 

Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

Хорошо, за какое время лично вы беретесь решить задачу термояда?

Аватар пользователя Музыкант
Музыкант(5 лет 8 месяцев)

Это неправильный подход к бизнесу.

За 11 лет непременно издохнут либо я, либо осёл, либо падишах.

Так что я готов за 11 лет взяться научить осла читать Коран. Причём за вдвое меньший гонорар. Но - деньги вперёд!smile3.gif

Комментарий администрации:  
*** Отключен (В России народ не тот - поэтому большевики смогли прорваться к власти, сумев сагитировать только отсталых обезьян (с)) ***
Аватар пользователя дровосек
дровосек(8 лет 2 месяца)

В 19-ом году мы полетим на Марс. smile3.gif

Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

Вы, наверное, не поверите, но люди, которые занимаются такими вопросами, очень часто, не рассматривают это как "бизнес",  а занимаются решением поставленной задачи.

11 лет для такой задачи - не слишком много, учитывая ее огромную сложность и многогранность.

Вы, подозреваю, не способны представить себе, сколько разных проблем, задач, вопросов и трудностей стоит между решением построить и запуском реактора. 

"Нет ничего сложного в решении любой проблемы для того, кто ее решением не занимается" (С)

Аватар пользователя Музыкант
Музыкант(5 лет 8 месяцев)

Конечно не поверю. Потому что у этих людей первая задача вовсе не то что вы там себе намечтали.

Если цель жизни стул на работе протирать, то все вопросы и проблемы можно возводить в куб. И тогда даже 11 лет не предел!smile3.gif

Комментарий администрации:  
*** Отключен (В России народ не тот - поэтому большевики смогли прорваться к власти, сумев сагитировать только отсталых обезьян (с)) ***
Аватар пользователя Cobold
Cobold(8 лет 7 месяцев)

Я с этими людьми работаю. 

Но если ваше разумение не видит иной цели кроме "делать бизнес" или "протирать стул", мне вас искренне жаль.

На этой ноте дискуссию с вами я прекращаю.

Аватар пользователя Музыкант
Музыкант(5 лет 8 месяцев)

Вы просто не работали с другими людьми. Которые делают бизнес не на протирании штанов десятилетиями, а на достижении ощутимого результата в приемлемый срок.

Комментарий администрации:  
*** Отключен (В России народ не тот - поэтому большевики смогли прорваться к власти, сумев сагитировать только отсталых обезьян (с)) ***
Скрытый комментарий Повелитель Ботов (без обсуждения)
Аватар пользователя Повелитель Ботов

Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.

Комментарий администрации:  
*** Это легальный, годный бот ***