🗊Презентация Жидко-солевой реактор. (Лекция 14)

Лекция 14 Жидко-солевой реактор (ЖСР)

Современное состояние ЯЭ

Проблема ресурсов Оценённые рентабельные запасы урана в мире ~ 16 млн. тонн. Запасы 235U ~ 50 тыс. тонн. Современное потребление ~600 т/год, к середине века ~ 1 тыс. тонн/год Топливный ресурс ~ 50 – 100 лет. Выход – использовать 238U. Или 232Th (его в 3 раза больше).

Пути преодоления проблемы Бридинг ядерного топлива в U-Pu ЯТЦ: n + 238U→ 239Pu Быстрые Реакторы Переход к Th-U ЯТЦ: n + 232Th→ 233U Жидко-солевые реакторы

Почему ЖСР? ЖСР - реактор с внутренней безопасностью, так как его температурный и пустотный коэффициенты отрицательны и для него аварии, подобные Чернобылю, невозможны. В реакторе отсутствует давление в контуре и нет потенциально опасного теплоносителя. Отсутствует необходимость в изготовлении топливных элементов из высокоактивного ОЯТ. Отсутствуют ограничения на глубину выгорания . Возможна on line переработка ОЯТ и замыкание ЯТЦ.

Краткая история ЖСР 1939 г. Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон впервые рассмотрели гомогенный ядерный реактор и показали, что без обогащения урана изотопом 235U он работать не будет; 1944 г. В Los Alamos создан первый гомогенный реактор на водном растворе соли обогащённого урана; 1954 г. В Oak Ridge построен жидко-солевой реактор ARE (Aircraft Reactor Experiment) мощностью 2,5 МВт с топливной композицией NaF-Zr F4- UF4 при 860°С; 1965 – 1969 гг. В Oak Ridge работал в течение 5 лет реактор MSRE (Molten Salt Reactor Experiment) мощностью 7,6 МВт с топливной композицией LiF-BeF2-UF4 при температуре 650°С. Сегодня В РНЦ «КИ» работает реактор АРГУС мощностью 20 КВт с топливной композицией – раствор уранилсульфата в воде.

ARE и MSRE ARE реактор (Aircraft Reactor Experiment, 1954, Oak Ridge, USA) мощностью 2.5 MВт использовал топливную солевую композицию NaF-ZrF4-UF4 (53-41-6 мол.%) при температуре 860°C. MSRE реактор (Molten Salt Reactor Experiment, Oak Ridge, USA) мощностью 7.4 MВт использовал топливную солевую композицию 7LiF-BeF2-ZrF4-UF4 (65-30-5-0.1 мол.%) при 650°C и действовал ~ 5 лет (январь1965 – декабрь 1969), используя как 235U, так и 233U. Эксперименты показали возможность устойчивой работы таких реакторов.

MSRE

MSRE

MSBR Опираясь на опыт эксплуатации MSRE в 1971 г. был разработан проект реактора MSBR (Molten Salt Breeder Reactor)мощностью 1 ГВт(эл.) с топливной композицией 7LiF-BeF2-ThF4-UF4 (72-16-11.7-0.3 мол.%) и графитовым замедлителем. Спектр нейтронов во всех этих реакторах - тепловой и поэтому в 70-х годах предпочтение было отдано проекту быстрого реактора. Кроме того, в это время было принято стратегическое решение: ОЯТ не перерабатывать, а хранить до лучших времён, что в корне противоречит концепции ЖСР.

Современное состояние В 1972 г. программа ЖСР была в США закрыта в пользу программы быстрых реакторов. В 2001 г. ЖСР включён в программу GENERATION-4 как один из шести возможных типов реакторов будущей ЯЭ. США – Thorium Energy Alliance FLiBe Energy Transatomic Power Европа – iThEC – International Thorium Energy Committee ALISIA – материалы, EVOL– быстрый ториевый реактор. Япония – программа FUJI Китай – с 2011 г. программа “Thorium Molten Salt Reactor (TMSR) Nuclear Energy Sistem”, готов дизайн-проект мощностью 2 МВт, 2020 г. – пуск.

Th-U топливный цикл Почти все упомянутые проекты использовали эвтектику 7LiF-BeF2 как несущую соль и Th-U топливо с тепловым спектром нейтронов. Th-U цикл имеет определенные преимущества, но для его реализации необходимо вначале наработать 233U, а это можно наиболее эффективно осуществить в быстром реакторе с U-Pu циклом.

Параметры Th-U и U-Pu циклов

Задача -- соединить 3 свойства:

U-Pu ядерный топливный цикл Замыкание U-Pu топливного цикла можно осуществить только с использованием быстрых реакторов. Чтобы создать ЖСР с быстрым спектром нейтронов его топливная композиция должна содержать ~10 ат.% делящихся ядер (~ 50 масс. %), в частности U и Pu. Но фторидных солей с такой высокой растворимостью PuF3 до недавних пор не было известно.

Растворимость PuF3 (mol%)

Растворимость PuF3 (мол. %) в жидких солях

Свойства фторидных солей

LiF-NaF-KF (FLiNaK) Эвтектика 46.5LiF-11.5NaF-42KF (моль.%), FLiNaK хорошо известна, но она рассматривалась только как теплоноситель для высокотемпературных реакторов или как бланкет термоядерного реактора ( Oak Ridge, 1972; Livermore, 2006). Коррозионная активность FLiNaK сравнима с активностью соли 2LiF-BeF2 (Idaho, 2010).

Растворимость актинидов

Cовместная растворимость UF4 и PuF3

Растворимость лантанидов

Проблема америция За год в тепловом реакторе мощностью 1 ГВт (ВВЭР, PWR) образуется ~ 3.5 кг Am. После 30 лет хранения ОЯТ эта масса увеличивается до 30 кг за счёт распада 241Pu →241Am, а общая масса Am, накопленного за 50 лет хранения ОЯТ, cоставляет ~ 200 т и каждый год увеличивается на ~ 2 т. Так как доля запаздывающих нейтронов при делении Am мала (b=0.17%), рассматриваются, в основном, подкритические варианты ЖСР-сжигателя Am. Большая растворимость AmF3 в FLiNaK позволяет создать подкритический БЖСР-сжигатель Am, который в качестве топлива использует сам Am.

ЖСР – пережигатель минорных актинидов Проблема утилизации Np, Am и Cm в 90-х возродила интерес к ЖСР. Так как доля запаздывающих нейтронов при делении MA мала (b=0.17%), были рассмотрены подкритические варианты ЖСР. Было показано, что один ЖСР-пережигатель на базе FLiNaK, способен уничтожить Am из отработавшего топлива ~10 ВВЭР-1000 (PWR, BWR) после 30 - летней выдержки.

ЖСР – пережигатель MA на основе FLiNaK

Подкритический БЖСР- сжигатель Am на основе FLiNaK

Основные характеристики Производительность ~ 300 кг/ГВт(тепл.)∙год; Потребление Pu ε = Pu / Am ≈ 0; Время пережигания  = QTRU/qTRU ~ 20 лет; QTRU – равновесная загрузка топлива. 20 таких реакторов достаточно для пережигания всего Am, накопленного в хранилищах ~ ОЯТ за 50 лет существования ЯЭ, в течение ~20 лет.

Быстрый жидко-солевой реактор (БЖСР) БЖСР удовлетворяет требованиям «естественной безопасности» реакторов: отсутствует избыточная реактивность; отрицательный температурный и плотностной коэффициенты; отсутствуют опасные и химически активные теплоносители; отсутствует давление в первом контуре. Кроме того, отпадает необходимость в изготовлении топливных элементов, нет ограничений на глубину выгорания, а также появляется возможность постоянной корректировки состава топлива.

Параметры БЖСР и БР

БЖСР и проблемы ЯЭ

Заключение Разработка и cоздание БЖСР – это не только инженерная и технологическая проблема, но, прежде всего, проблема научная и поэтому требует детальных исследований физики и химии БЖСР. Большинство проблем ЖСР было изучено в проектах MSRE и MSBR, в которых использовали соль LiF-BeF2. Методы и результаты этих работ (более 300 статей и отчётов) являются хорошим заделом для разработки БЖСР, основанного на соли LiF-NaF-KF.

Проблемы БЖСР

Conclusion of the MSRE creators (1965 – 1970) Operation of the MSRE has served to demonstrate and emphasize the basic soundness of the molten-salt reactor concept (Haubenrich and Engel, Nucl. Appl. & Technol., 8, 118-136, 1970). Loss of delayed neutrons by precursor decay outside the core significantly reduces the effective delayed-neutron fraction in the MSRE. In fact. with the salt circulating their effective fractions are 0.0045 and 0.0017 for the 235U and 233U fuels. Despite these low fractions the system response to perturbations is quite acceptable with either fuel (Haubenrich and Engel, ibid). Concern is also frequently expressed about corrosion of the system containment of the radioactive liquids and gases, reliability of the equipment and maintenance of the highly radioactive system. Operation of the 7.5-MW Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) from early 1965 to December 1969 provided favorable first-order answers to these questions (MacPherson, Reactor Technology, 15, 136 ,1972).