На ГХК изготовили первую партию топливной соли для жидкосолевого реактора

Топливная соль нужна для исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР), который построят на ГХК. Экспериментальную установку для получения топливной соли на основе фторидов лития и бериллия запустили в конце 2021 года. Об этом важном шаге в освоении технологии рассказывает эксперт проектного офиса ЖСР Евгений Власенко.

— В каких направлениях идут работы по ИЖСР?

— В прошлом году выполнен ряд опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ в рамках госконтрактов и договора целевого финансирования общей стоимостью порядка 2 млрд руб­лей. По первому направлению разрабатывается конструкция реакторной установки и модуля переработки топливной соли. С головной конструкторской организацией НИКИЭТ мы подготовили исходные данные для разработки системы контроля и управления реакторной установкой, разработали аппаратурно-технологическую схему модуля переработки ОЯТ, выбрали оптимальные варианты компоновки.

В рамках того же госконтракта департамент информационных технологий комбината совместно с нашим специальным научным техническим бюро создал единое информационное пространство для всех участников проекта. С любого устройства, подключенного к интернету, они имеют доступ к веб-платформе, где аккумулируются результаты работы. Можно обмениваться документами и информацией без запросов: зашел, загрузил файл, пользуешься. Удобно и функционально.

Научно-исследовательское направление более фундаментальное. Это разработка и демонстрация ключевых технологических решений по реактору с циркулирующим топливом на основе расплава солей.

~2 млрд рублей потрачено на НИОКР по ИЖСР в 2021 году

Сплав для реактора

— Головная научная организация проекта — ​Курчатовский институт. Кто еще участвует в работе?

— Список солидный. В прошлом году привлекали Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН, ЦНИИчермет им. Бардина, РФЯЦ-ВНИИТФ, ОКБМ им. Африкантова, ВНИИНМ, Радиевый институт, НИИАР, Уральский федеральный университет.

К примеру, ЦНИИчермет изготовил опытно-промышленную партию листов и труб из высоконикелевого сплава. Из него планируется сделать корпус реактора, главный циркуляционный насос, теплообменники и трубопроводы. В Курчатовском институте этот материал изучали на предмет коррозионной стойкости: образцы выдерживали в контакте с расплавом солей в условиях, моделирующих промежуточный контур ядерной установки.

Физические свой­ства топливной соли — ​вязкость, плотность, теплопроводность и теплоемкость — ​помогает изучать Институт высокотемпературной электрохимии. С ОКБМ сделали технические проекты макетов насоса и теплообменника — ​прототипов оборудования для испытаний. Это уже среднесрочная перспектива.

Исследования не закончены. До 2024 года у нас прописана научная программа, разрабатывается дорожная карта на следующий период.

— Специалисты ГХК участвуют в исследованиях?

— Да, например, в чрезвычайно сжатые сроки управление главного механика совместно с Научно-производственным международным центром инженерных компетенций, НП МЦИК, провели исследования свариваемости и разработали методы контроля качества сварки того самого высоконикелевого сплава, из которого ЦНИИчермет изготовил опытно-промышленную партию листов и труб.

ПРОБНЫЙ ЖСР

Исследовательский жидкосолевой реактор предназначен для отработки технологии дожигания долгоживущих отходов ядерной энергетики — ​минорных актинидов. По рекомендации Курчатовского института выбран тип соли — ​на основе фторидов лития и бериллия. В ней растворят тетрафториды плутония и минорных актинидов, это и будет топливом. Тепловая мощность ИЖСР — ​не более 10 МВт. Технический проект установки планируется закончить в 2024 году, получить лицензию на строительство — ​в 2027‑м, запустить реактор — ​в 2031‑м. Кроме ИЖСР на ГХК построят комплекс производства и переработки топлива.

Литий, бериллий, нептуний

— Расскажите об опытной партии топливной соли.

— Подготовка и переработка топливной соли — ​важнейшее направление исследований. Мы изучали процессы экстракции делящихся материалов, разрабатывали технологические схемы, концепцию топливного цикла. В партнерстве с Уральским федеральным университетом разместили на территории нашей бывшей атомной ТЭЦ в отремонтированных для этого помещениях две экспериментальные установки. Первая — ​для получения топливной соли на основе фторидов лития и бериллия. В ноябре прошлого года НП МЦИК и УрФУ изготовили на ней пробную партию, порядка 2 кг. Для ГХК это важный шаг в освоении жидкосолевых реакторных технологий: раньше с фторидными солями лития и бериллия мы дела не имели. На второй установке будут проводиться коррозионные испытания конструкционных материалов модуля переработки ОЯТ.

— Какие еще компоненты топлива для ИЖСР изготовили?

— Впервые на площадке ГХК специалисты НП МЦИК провели синтез и аттестацию опытной партии тетрафторида нептуния. Это один из компонентов топливной добавки для будущего реактора. Продукт полностью отвечает требованиям по чистоте и качеству. Это подтвердили эксперты УрФУ, в кооперации с коллегами из НП МЦИК изучив поведение нептуния в топливной соли спектральными и электрохимическими методами.

200 млн на исследования

— Что предстоит сделать в этом году?

— В опытно-конструкторских работах продолжаем двигаться в рамках госконтракта. Там два больших подэтапа, один предстоит закончить к июлю. НИКИЭТ готовит эскизный проект регулирующих органов и исполнительных механизмов системы управления и защиты, а также перечень исходных событий нарушения нормальной эксплуатации реакторной установки. Задача — ​к концу года сделать эскизный проект реакторной установки и техническое предложение модуля переработки ОЯТ.

В части ключевых технологических решений в этом году предстоит выполнить НИОКР стоимостью более 200 млн рублей. Во-первых, разработать технологию производства высоконикелевого сплава оптимального состава для топливного и промежуточного контуров. Продолжатся ресурсные испытания коррозионно-механической стойкости образцов металла — ​в условиях, моделирующих топливный контур реактора. Еще одна задача, которую хотелось бы выполнить на площадке ГХК, — ​это экспрессные ампульные коррозионные испытания в соли с добавками ядерных материалов, которые будут использоваться в качестве топлива в реакторе.

Не могу не упомянуть и такое направление, как аттестация уже разработанных методик измерения макрокомпонентов и микропримесей в топливной соли и промежуточном теплоносителе. Это важная задача, в решении которой пригодятся компетенции НП МЦИК. Ну и, наконец, математическое моделирование, которым займется Курчатовский институт. Предстоит верифицировать методики, развить схему связанного нейтронно-физического и теплогидравлического расчета реактора. Это позволит обосновать безопасность реакторной установки в ходе мультифизического моделирования переходных процессов и анализа аварийных ситуаций. Так что все очень плотно, сроки сжатые. Да, это требует напряженной работы. Но мы укладываемся, сдаем все вовремя.

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. Технология 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.