ЖСР ВОСТРЕБОВАН СНОВА

ЖСР — ядерный реактор, в котором солевой расплав служит одновременно тепловыделяющим элементом и теплоносителем. Идея создания жидкосолевого реактора возникла в середине прошлого века. В 1960-е годы в Окриджской национальной лаборатории (США) были успешно испытаны такие установки, но широкого распространения они не получили. Сегодня в этой области происходит ренессанс. Большинство ядерных держав с той или иной степенью интенсивности занимаются исследованиями для ЖСР в том числе и потому, что он может использоваться как реактор-сжигатель долгоживущих радионуклидов. Ряд инновационных фирм рекламируют свои разработки ЖСР как реактор будущего. Так, датские предприниматели в сотрудничестве с южнокорейским судостроительным гигантом планируют развивать проекты плавучих энергоблоков на основе компактных жидкосолевых реакторов.

На Урале концепцию создания ЖСР развивал доктор технических наук профессор Сергей Павлович Распопин, один из первых выпускников физико-технического факультета Уральского политехнического института, ныне Уральского федерального университета. К этим работам подключились и ученые Института высокотемпературной электрохимии УФАН СССР, прежде всего сотрудники лаборатории расплавленных солей, которой много лет руководил профессор М.В. Смирнов и которая теперь носит его имя. Без изучения физико-химических свойств солевых расплавов (теплопроводности, температуры плавления, теплоемкости, вязкости и других) невозможно сконструировать жидкосолевой реактор, а также определить оптимальные параметры его работы.

 — Создание ЖСР необходимо для реализации новой атомной энергетики, направленной на максимально эффективное использование энергетического потенциала радионуклидов в замкнутом ядерном топливном цикле и решение экологических проблем, связанных с хранением отработанного ядерного топлива (ОЯТ), — отметил научный руководитель Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН доктор химических наук профессор Юрий Зайков. — Различные концепции ЖСР позволяют создать как энергетический реактор, так и реактор-сжигатель, где можно утилизировать наработанные в других атомных реакторах долгоживущие радионуклиды — минорные актиноиды. Многие из них имеют очень длинный период полураспада (сотни, тысячи и даже миллионы лет), что делает их одним из самых опасных компонентов ОЯТ.

Сегодня ИВТЭ УрО РАН обладает всеми компетенциями для решения задачи, поставленной ГК Росатом. Многолетний опыт изучения свойств расплавов, поведения оксидов, взаимодействия жидких металлов с солевыми смесями и других электрохимических процессов позволит предложить эффективный способ переработки ОЯТ в жидкосолевых реакторах. 

О перспективах исследований в этом направлении рассказал заместитель директора ИВТЭ УрО РАН, зав. лабораторией пирохимических процессов и электрохимических технологий кандидат химических наук Александр Дедюхин:

— Одно из главных достоинств жидкосолевых реакторов — их естественная безопасность. Поскольку топливо ЖСР находится в жидком состоянии, то в случае нештатной ситуации, например, при разрушении какой-либо части реакторной установки не происходит существенных выбросов радионуклидов: расплавленная соль затвердевает, охлаждаясь ниже температуры плавления, и фиксирует в себе делящиеся материалы и продукты деления. Постоянное удаление газообразных продуктов деления и подпитка свежим топливом снижают риски неуправляемого разгона реактора. Низкое давление в его корпусе также позволяет обеспечить безопасность.

В качестве солевых расплавов в ЖСР обычно используются фториды металлов. В отличие от жидкого натрия, они почти не взаимодействуют с водой и не горят, что исключает целый класс аварий, которые возможны в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем. Мы работаем в нескольких направлениях, исследуя солевые расплавы на основе фторидов лития и бериллия, а также смеси фторидов лития, натрия и калия (FLiNaK). Это соли с относительно низкой температурой плавления, позволяющие обеспечить рабочую температуру реактора 500–700 ⁰С.

Помимо сотрудников лаборатории пирохимических процессов и электрохимических технологий ИВТЭ в работу вовлечены специалисты и других подразделений института — лаборатории расплавленных солей, лаборатории радиохимии, электрокристаллизации и высокотемпературной гальванотехники, а также созданной в 2021 году в рамках национального проекта «Наука и университеты» молодежной лаборатории высокотемпературной электрохимии актинидов и редкоземельных металлов под руководством кандидата физико-математических наук Максима Власова. 

В ходе создания ЖСР (основной разработчик и главный конструктор — Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля) возникает множество материаловедческих задач, которые в том числе призван решить наш коллектив. Основная физико-химическая задача — получение первоначальных, базовых сведений о свойствах фторидных солей, содержащих делящиеся материалы и продукты деления. Задача эта комплексная, поскольку состав соли существенно влияет на теплофизические и, что особенно важно, на коррозионные свойства солевого расплава. Изучение коррозионного поведения материалов, а также управление окислительно-восстановительным потенциалом соли для предотвращения их разрушения — отдельный блок исследований, без которых невозможно создание ЖСР.

Особое внимание уделяется технологии переработки топливной соли, состав которой меняется во время функционирования реактора. В расплаве накапливаются продукты деления, ухудшающие энергетические параметры установки. Создание прототипа технологии переработки отработавшей топливной соли — одна из задач нынешнего года.