Westinghouse продолжает разработку быстрого реактора со свинцовым теплоносителем

О текущем состоянии проекта было рассказано на международной конференции во Франции в мае 2019 года. У доклада свыше 20 авторов из "Westinghouse" и итальянских компаний.

"Westinghouse LFR" (название условное) - реактор мощностью 465 МВт(э). Разработчики намерены сделать конкурентоспособным "даже на наиболее сложных глобальных рынках".

Реактор бассейновый, спектр нейтронов в нём быстрый. Турбина блока будет работать на сверхкритическом диоксиде углерода (sCO2). Блок подключается к системе хранения энергии, что позволит избежать маневрирования тепловой мощностью реактора. Топливо - нитрид урана.

Выходу на коммерческий блок должно предшествовать строительство демонстрационного реактора PLFR меньшей мощности порядка 300 МВт(э). В американской компании считают, что создание прототипа произойдёт в более близкой перспективе, чем появление коммерческого блока (что в сущности резонно). После пуска прототип будет со временем форсирован до уровня головного блока.

Авторы доклада приводят следующие отличия "Westinghouse LFR" от других свинцовых проектов.

В американском проекте планируется задействовать материалы, способные работать со свинцом при температурах до 650°C. Подбор материалов будет вестись параллельно с созданием проекта реактора. Повышение температуры свинцового теплоносителя до 650°C позволит выйти на к.п.д. блока порядка 50%.

Компания намерена привлечь для проекта материалы, активно изучавшиеся в мире в последнее десятилетие, по которым предварительно получены обнадёживающие результаты по устойчивости к коррозии в свинце при высоких температурах. "Westinghouse" планирует провести собственные исследования этих материалов с целью подтвердить их свойства.

В проекте "Westinghouse LFR" предполагается использовать компактные гибридные микроканальные теплообменники (compact, hybrid microchannel-type primary heat exchangers). Это позволит добиться снижения размеров и веса корпуса реактора, что, в свою очередь, облегчит задачу конструкторам при проектировании опор и поддержек для корпуса, заполненного тяжёлым теплоносителем.

Сверхкритический углекислотный цикл, о котором упоминалось выше, позволяет использовать компактное турбинное оборудование, что даст в итоге сокращение капитальных затрат.

Сочетание блока с системой хранения тепловой энергии позволит блоку маневрировать выдаваемой мощностью при неизменной тепловой мощности реактора.

Реактор работает при высокой температуре свинца - 420°C на входе в активную зону, 530°C (для PLFR) и 650°C (для головного блока) на выходе, при давлении близком к атмосферному.

Холодный свинец входит в зону снизу, нагревается и поднимается в горячий бассейн, где радиально смещается в теплообменники. Остывший свинец насосами подаётся в нижнюю часть реактора, откуда он вновь попадает в активную зону.

Газовый (аргон) объём служит для отделения свинцового бассейна от крышки реактора, для компенсации тепловых расширений свинцового объёма, для предотвращения утечек свинца и для контроля за изотопным составом газа в газовом объёме.

Корпус реактора помещён в страховочный корпус. Зазор между корпусами таков, что при разгерметизации корпуса реактора снижение уровня свинца в нём не приведёт к потере охлаждения активной зоны.

Верхняя крышка корпуса реактора снабжена разрывными мембранами. В случае отказа каналов теплообменников внутри корпуса, через разрывные мембраны возможно залить внутрикорпусной объём (или его часть) жидкостью для предотвращения роста давления внутри корпуса, организации потоков свинца и контроля изотопного состава газового объёма.

Большое внимание разработчики проекта уделяют теплообменникам. Слово "гибридный" в их названии содержит отсылку на различия в размерах и форме каналов теплообменников, принадлежащих первому и второму контурам.

Всего теплообменников шесть. Они устанавливаются внутри корпуса реактора в корзине, отделяющей их от свинцового бассейна.

Сверхкритический диоксид углерода (рабочее тело второго контура) протекает через U-образные микроканалы, химически вытравленные в наборе пластин. Горизонтальные и вертикальные пластины в наборе соединены методом диффузионной сварки, при котором не образуются сварные швы (слабое место конструкции при появлении давления).

Выбор типа ГЦН продолжается. На данный момент, определено только то, что насосы будут устанавливаться на холодном плече первого контура, что снизит опасность коррозии для рабочего колеса насосов - наиболее серьёзной проблемы при выборе насосов для реакторов с ТЖМТ.

Свинцовый реактор от "Westinghouse" будет работать в 2-4-летних циклах. Для прототипа PLFR предполагается использовать топливо на основе диоксида HALEU, но возможен вариант и с использованием MOX-топлива.

Выбор в пользу UO₂ для опытного реактора обусловлен, в первую очередь, вопросами лицензирования. В компании считают, что урановое топливо облегчит проекту прохождение через регулирующие органы. Кроме того, на первых порах работа на уране позволит протестировать твэлы и сборки с инновационными топливом и конструкционными материалами.

После выхода на коммерческое применение компания предполагает заменить оксидное топливо на нитридное (UN).

Работа по конструкционным материалам активной зоны также разбита на ближнесрочный и долгосрочный этапы. На ближнюю перспективу предлагается сталь 15-15Ti с покрытием из оксида алюминия Al₂O₃, так как по этой стали накоплен большой объём экспериментальных данных по облучению в быстром спектре нейтронов, а алюминиевое покрытие обещает обеспечить высокую степень стойкости к коррозии.

На более отдалённое будущее рассматриваются различные классы материалов. Среди них - AFA-стали (Alumina Forming Austenitic steels - стали, в которые включается оксид алюминия с целью создать из него защитный слой на поверхности материала), композиции с карбидом кремния, а также различные сплавы молибдена или ниобия. Эти работы частично пересекаются с программой "Westinghouse" по созданию толерантного топлива для легководных реакторов.

Для глушения реактора имеются две независимые системы. Первая - традиционная, с использованием стержней СУЗ из обогащённого до 80-90% по десятому изотопу бора. Вторая - альтернативная, без использования стержней. Она должна срабатывать в случае невозможности введения стержней в активную зону, её разработка в настоящее время продолжается.

В докладе была приведена картограмма загрузки "Westinghouse LFR" для варианта с MOX-топливом.

Разработка компоновки энергоблока продолжается. Один из вариантов был представлен в докладе. Стоит задача оптимизировать её и сократить количество зданий.