Сжечь актиниды в жидкосолевом реакторе

В рамках федерального проекта «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» стартует проектирование исследовательского жидкосолевого реактора (ЖСР). До конца 2024 года должна быть получена лицензия на размещение на площадке железногорского Горно-химического комбината и подготовлен эскизный проект промышленного ЖСР.

Инициаторами проекта стали специалисты дирекции «Росатома» по государственной политике в области РАО, ОЯТ и ВЭ ЯРОО во главе с Олегом Крюковым. Специалисты Курчатовского института, НИКИЭТ, НИИАР, ВНИИНМ, ВНИИТФ, УрФУ, ИВТЭ УрО РАН подготовили общую программу НИОКР по тематике жидкосолевых реакторов на период до 2024 года. За пять лет должны быть разработаны и продемонстрированы ключевые технологические решения для создания экспериментального ЖСР с модулем переработки облученного ядерного топлива.

Замкнуть цикл

Наибольший вклад в радиоактивность отходов вносят минорные актиниды (нептуний‑237, америций‑241 и 243, кюрий‑244, 245, 247 и 248), которые содержатся в рафинате после выделения из него основного потока урана и плутония. Извлечение и дожигание минорных актинидов в специализированной реакторной системе — основная задача замыкания ядерного топливного цикла.

Актиниды можно сжечь в реакторе на быстрых нейтронах, например в БН. «Жидкосолевой реактор — это альтернатива, которая имеет три весомых преимущества с точки зрения сжигания минорных актинидов», — ​говорит старший менеджер проектного офиса «Создание системы обращения с ОЯТ» Анжелика Хаперская. Во-первых, нет нужды в фабрикации топлива с минорными актинидами, которая представляет собой крайне сложную технологическую задачу. Во-вторых, нетребовательность к изотопному составу, которая дает возможность варьировать топливную загрузку без изменения конфигурации активной зоны. В-третьих, возможность трансмутации америция и кюрия без их разделения, что позволит исключить крайне сложную задачу по химическому разделению этих минорных актинидов при фракционировании высокоактивных отходов от переработки ОЯТ.

Впрочем, заменить БН в замкнутом ядерном топливном цикле ЖСР не сможет. Он прекрасно подходит для сжигания актинидов, но для наработки делящихся материалов — нет. «Основная функция ЖСР — дожигание актинидов. Но такие реакторы могут и вырабатывать электроэнергию — там, где есть реакция деления, есть и тепло. Причем КПД жидкосолевого реактора выше, чем аналогичный показатель реакторов на тепловых нейтронах», — ​говорит Анжелика Хаперская.

Планы и сроки

В 2024 году должно быть завершено материаловедческое обоснование конструкционных материалов топливного контура и установки переработки топливной соли. С помощью математического моделирования рассчитают условия эксплуатации топливной соли и конструкционных материалов полномасштабного жидкосолевого реактора, интегрированного с системой регенерации топлива. Также к этому сроку планируется получение лицензии на размещение исследовательского ЖСР на площадке ГХК, демонстрация на экспериментальных установках ключевых технологий, а также интегрированного с ЖСР модуля рециклирования актинидов и очистки топливной соли от продуктов деления, разработка эскизного проекта промышленного ЖСР.

Если все пойдет по плану, строительство исследовательского ЖСР в Железногорске стартует в 2030–2031 году. На нем будут не только подтверждены ключевые технологии, но и разработана нормативная база для лицензирования промышленного ЖСР.

История вопроса

ЖСР обладают существенной гибкостью топливного цикла и не нуждаются в топливных элементах. Делящиеся материалы растворены в жидких фтористых солях, которые текут в активной зоне в режиме естественной циркуляции. Энерговыделение топлива не ограничено возможностью теплоотвода в активной зоне, что позволяет достичь высокой плотности потока нейтронов. Непрерывная коррекция состава топлива в жидкой фазе при условии радиационной стойкости практически снимает ограничения на выгорание.

Подтверждение основных принципов работы ЖСР было получено еще в 1970-е годы в США на экспериментальном реакторе MSRE тепловой мощностью 8 МВт. Тогда же были разработаны технологии контроля химического состояния расплава и конструкционных материалов, совместимых с расплавами солей фторидов. То есть техническая база для создания промышленных установок подготовлена.

В России экспериментальные и расчетные исследования по теме ЖСР начались во второй половине 1970-х годов в ИАЭ им. Курчатова. Часть этих разработок можно рассматривать как модификации для получения более высоких параметров по сравнению с MSRE. Оптимизация была направлена в основном на увеличение коэффициента воспроизводства и снижение удельной топливной загрузки установки преимущественно в тепловом спектре нейтронов.

В настоящее время работы по ЖСР идут в США, Франции, Нидерландах, Германии, Италии, Чехии и Швейцарии, привлекаются научно-исследовательские центры, университеты и частные компании Австралии, Индии, Канады, Южной Кореи, Японии, Великобритании и Дании. Однако на передний план выдвигается Китай: там уже строится исследовательский ЖСР мощностью 2 МВт. В ноябре завершилась заливка фундаментной плиты. Проект ведет Шанхайский институт прикладной физики Китайской академии наук.