В декабре 2022 года Научно-исследовательский и конструкторский институт им. Н. А. Доллежаля («НИКИЭТ», входит в Росатом), разработал эскизный проект реакторной установки с исследовательским реактором с циркулирующим расплавом топливной соли (ИЖСР). Основной задачей проекта авторы считают отработку технологий для полномасштабного жидкосолевого реактора-сжигателя минорных актинидов.
Назначение и принцип действия
Жидкосолевой реактор – это ядерный реактор, где топливо растворено в солевой среде фторидов металлов (теплоносителе), а суммарно соль и топливо формируют гомогенную активную зону.
У жидкосолевых реакторов несколько привлекательных черт. Во-первых, для них, в отличие от гетерогенных ядерных реакторов, не нужны твэлы и топливные сборки.
Во-вторых, у ЖСР высокий уровень безопасности, основанный на отрицательных обратных связях как по температуре, так и по плотности делящейся среды. А поскольку температурный и пустотный коэффициенты в нем отрицательны, тяжелые аварии исключены. Давление в топливном контуре, обеспечивающее прокачку солевой среды по контуру, небольшое. Поэтому минимизирован объем запасенной энергии, способной выйти за предел контура в случае потери его целостности. А в случае несанкционированного роста температуры в контуре до опасного уровня срабатывает сбросной клапан, пассивное действие которого основано на естественных физических законах.
Основное назначение ЖСР – возможность организовать технологию непрерывной трансмутации (или «дожигагания») минорных актинидов, которые накапливаются в ОЯТ энергетических реакторов на тепловых нейтронах. Благодаря этой возможности интерес к ЖСР в России вернулся после долгого перерыва (российские разработки ЖСР прекратились в начале 1990-х годов). Теперь ЖСР рассматривается как часть замкнутого ядерного топливного цикла и важный технологический элемент переработки и утилизации отработанного ядерного топлива (ОЯТ).
Предполагается, что ИЖСР будет построен на территории Горно-химического комбината (ГХК, входит в Росатом) в Красноярском крае. Выбор не случаен: ГХК как раз специализируется на финальном этапе обращения с ОЯТ и выводе из эксплуатации.
Хронология проекта создания РУ ИЖСР
Конструкторские проработки и расчётные оценки ИЖСР начались в конце 2019 года. В настоящее время утверждена программа НИОКР. В рамках этой программы уже начались обоснования конструкционных материалов, реакторной установки, модуля переработки ОЯТ и иного оборудования, а также технологии приготовления топливной и промывочной солей и прочих технологий. «Уже создаются уникальные высокотемпературные стенды для отработки технических решений отдельных узлов и верификации программных кодов этой инновационной реакторной установки», – сообщил главный конструктор исследовательских и изотопных реакторов «НИКИЭТ» Игорь Третьяков.
В рамках эскизного проекта конструкторы прорабатывали основные технические, конструктивные, схемные и компоновочные решения реакторной установки в целом и входящего в её состав оборудования. Впереди ещё много предпроектных и проектных работ – обоснование инвестиций, разработка технического проекта РУ и модуля переработки, выполнение программы НИОКР и, наконец, разработка проектной документации и лицензирование. Предполагается, что в этом году ГХК должен получить лицензию на размещение. «Это значит, что существенную часть обосновывающих НИОКР мы должны выполнить тоже до 2024 года», – пояснил Игорь Третьяков. По плану, к 2027 году надо будет получить лицензию на строительство и завершить его к 2031 году.
Особенности ИЖСР
Тепловая мощность ИЖСР – 10 МВт. Основной конструкционный материал – сплав, на 80% состоящий из никеля. Из него планируют изготовить топливный (в более привычной терминологии – первый) контур, включая корпус, трубопроводы, теплотехническое оборудование. «Ученые изучили 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», – сообщил Игорь Третьяков.
Предполагается, что примерно 10% жидкосолевой композиции будет отводиться из топливного контура с определённой периодичностью, а взамен подаваться свежий топливный расплав. В принципе останавливать реактор для дозагрузки нет необходимости, но это предмет расчетно-аналитического и экспериментального обоснования.
Предположительно, реактор будет построен в подгорной части ГХК. Скальный массив – дополнительная изоляция от внешней среды. Кроме того, топливный контур и некоторое иное оборудование будет размещаться в герметичной капсуле, являющейся барьером безопасности.
Чтобы защитить персонал, большинство работ по обслуживанию РУ ИЖСР планируется выполнять с помощью роботизированных механизмов, которые сейчас также разрабатываются.
Несколько слов о топливе
Топливо для ИЖСР и методы его переработки разрабатывает Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. Бочвара (ВНИИНМ, входит в Росатом). Топливом в ИЖСР будет служить расплав фторидов нескольких металлов. В качестве делящегося материала в расплаве будут внедряться фториды минорных актинидов, подлежащие трансмутации, и очевидно, на начальной стадии работы, плутония.
Одна из задач, над которой работают во ВНИИНМ – это получение фторидов минорных актинидов. «Синтез фторидов не представляет особых сложностей, методы давно известны. Но, чтобы использовать эти соединения в качестве топлива ИЖСР, необходимо, чтобы они соответствовали жестким техническим требованиям, прежде всего по содержанию кислорода», — отметил в интервью газете «Страна Росатом» главный научный сотрудник ВНИИНМ Алексей Ананьев.
В качестве базы топливной композиции ВНИИНМ планирует использовать фториды лития и бериллия. Они менее активны по отношению к конструкционным материалам, чем фториды натрия, лития и калия (FLiNaK). Получение солей нужного качества – вторая задача ВНИИНМ.
Третья задача – избавиться от трития, который образуется из лития при облучении. ВНИИНМ уже подобрал сорбенты для выделения трития и разработал схему системы газоочистки, идут эксперименты. Параллельно конструкторы разрабатывают технологическое оборудование для модулей подготовки и переработки топлива и систем газоочистки.
В целом, работа над проектом создания РУ с ИЖСР и модулем переработки развивается, хоть и не без трудностей, свойственных каждой новой технологии, но целенаправленно. Эксперименты на ИЖСР станут первым шагом к освоению одного из важных этапов замкнутого ЯТЦ – дожиганию минорных актинидов из накопленного ОЯТ.
