Композиции будущего: как разрабатывают топливо для жидкосолевого реактора

Институт Бочвара в кооперации с предприятиями отрасли разрабатывает топливо для перспективного исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР). Под эту задачу выстроен уникальный экспериментальный комплекс. Рассказываем и показываем, как создаются топливные композиции будущего.

К проекту ИЖСР Институт Бочвара подключился в 2019 году как научный руководитель по топливу. Реактор будет работать на жидком топливе из смеси солей фторидов лития и бериллия, содержащей плутоний в качестве делящегося материала и минорные актиниды, которые надо дожечь.

«Физики посчитали, что в условиях нейтронного спектра жидкосолевого реактора, где в качестве делящегося материала используется плутоний, возможна трансмутация, или дожигание, минорных актинидов, включая америций, кюрий и нептуний», — говорит Алексей Ананьев, научный руководитель работ по топливу ИЖСР, главный научный сотрудник Института Бочвара.

Перед бочваровцами стояли три основные задачи. Первая — синтез фторидов плутония и минорных актинидов, отвечающих жестким техническим требованиям по чистоте и минимальному содержанию кислорода. Вторая — создание несущей солевой композиции на основе фторидов лития и бериллия. Третья — решение тритиевой проблемы: радиоактивный тритий неизбежно образуется из лития при эксплуатации реактора.

В институте построили уникальный комплекс для пирохимических исследований. «Соль очень чувствительна к контакту с воздухом, да еще и радиотоксична. Чтобы работать с ней, нужны инертные боксы, — рассказывает Андрей Орлов, старший научный сотрудник Института Бочвара. — Под проект ИЖСР закуплены инертные боксы. Часть установлена в помещении для работ второго класса радиационной опасности, часть — в помещении для работ первого класса. В первом в боксах обычные стекла, во втором — свинцовые. Внутри боксов во втором помещении выполнена дополнительная биологическая защита».

Журналистам «СР» показали первое помещение, где ученые отрабатывают на имитаторах операции, которые потом будут проводить в помещении для работ первого класса радиационной опасности, уже с делящимися материалами. Там имеют дело с очень горячими и радиотоксичными материалами, поэтому все навыки нужно заранее отточить до совершенства.

«Мы вышли на заключительный этап работ по созданию технологии получения топливной соли для ИЖСР и изучению ее свойств, — сообщает Алексей Ананьев. — Создана опытная установка для производства соли, в ноябре будет официальная приемка. Второй очень важный результат с точки зрения ядерной безопасности реактора и фундаментальной науки — нам удалось окончательно решить вопрос о растворимости трифторида плутония в топливной соли. Можно сказать, что ядерная безопасность реактора с этой точки зрения обоснована».

«В этом году исследуем ввод топливных прекурсоров в топливную соль, — добавляет Андрей Орлов. — Теория говорит, что прекурсоры позволяют существенно снизить температуру плавления фторидов актинидов и полностью избавиться от некоторых примесей, сделать соль более чистой. Нам нужно проверить это экспериментально».

Конструкция жидкосолевого реактора предусматривает возможность вывести часть отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и добавить свежее без остановки реактора. ОЯТ очищают от продуктов деления, обогащают делящимся материалом и возвращают в активную зону. Бочваровцы отрабатывают технологию регенерации топлива ИЖСР, основанную на восстановительной экстракции компонентов топлива жидким висмутом.

«Модуль переработки предусматривает ступенчатую экстракцию, — объясняет Андрей Орлов. — В качестве восстановителя используется металлический литий, растворенный в жидком висмуте. Вся схема процесса достаточно сложная. Ее принцип основан на различии способности фторидов металлов — компонентов ОЯТ восстанавливаться литием до металлического состояния. Сначала в соответствии с положением в ряду электроотрицательности металлов восстанавливаются и переходят в жидкометаллическую фазу актиниды, затем продукты деления группы лантанидов. Это позволяет, дозируя содержание лития в висмуте, провести селективное разделение основных компонентов ОЯТ. В «пробирке» мы это уже попробовали, можно переходить к более масштабным экспериментам в инертных боксах для обоснования технологии».

Физпуск ИЖСР на Горно-химическом комбинате запланирован на начало будущего десятилетия.

Основные отраслевые участники проекта ИЖСР

• Курчатовский институт — головная научная организация.
• Горно-химический комбинат — эксплуатирующая организация и основная площадка для сооружения реактора.
• Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Доллежаля — головная конструкторская организация.
• Институт Бочвара — разработка топлива и технологии переработки ядерных отходов.
• Научный институт «Росатома» в Димитровграде — ресурсные и материаловедческие испытания.
• Уральский федеральный университет, Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН — разработка технологий для работы с расплавами солей и материалами.