22 сентября 2020

ВНИИНМ им. Бочвара приступил к разработке топлива для жидкосолевого реактора

Страна Росатом / ВНИИНМ Приготовление имитатора раствора ОЯТ Страна Росатом / ВНИИНМ

ВНИИНМ за свою историю создал много разных видов топлива: и для АЭС разных типов, и для исследовательских реакторов, и для ледоколов, и для подлодок. Все эти разработки объединяла "твердость" — ​жидкого горючего бочваровцы еще не делали. Но недавно в институте приступили к разработке топлива для экспериментального жидкосолевого реактора, который собираются строить на ГХК.

Жидкосолевой реактор, или реактор на расплавах солей, — ​это установка, в которой активную зону формирует гомогенная расплавленная смесь из фтористых солей легких металлов (лития, натрия и калия или лития и бериллия) и фторидов делящихся материалов (урана, плутония или тория).

  • Стратегическая причина. «Росатом» стремится к мировому лидерству на рынке ядерных технологий и для этого разрабатывает технологии замыкания топливного цикла. Одно из требований ЗЯТЦа — ​радиационно эквивалентное обращение с РАО (сколько радиоактивных материалов взяли из земли, столько и захоронили после использования). Чтобы обеспечить его, надо научиться выделять из РАО и утилизировать долгоживущие радиоактивные компоненты — ​минорные актиниды: америций, кюрий, нептуний. Их можно дожигать в ЖСР.
  • Экономическая причина. Глубинное захоронение долгоживущих радиоактивных компонентов будет стоить очень дорого. Без них РАО можно хранить приповерхностно, что гораздо дешевле.
  • Технологическая причина. Можно дожигать минорные актиниды в реакторах на быстрых нейтронах, но наиболее эффективно они уничтожаются в специально разработанных для этого установках — ​ЖСР.

Задачи разработки топлива для ЖСР

  • Синтезировать топливные добавки (фториды плутония и минорных актинидов) из актинидов, выделенных при переработке ОЯТ ВВЭР.
  • Приготовить топливную композицию, растворив добавки в смеси фторидов лития и бериллия (соль FLiBe) или лития, натрия и калия (FLiNaK).
  • Добиться низкого, не больше 0,1 %, содержания кислорода в топливной соли (кислород усиливает коррозионную активность фторидных растворов).
  • Обеспечить чистоту топлива от металлических примесей — ​они могут менять концентрацию нейтронов в активной зоне.
  • Создать технологию переработки топлива ЖСР для повторного использования.
  •  

СТАДИИ ОБРАЩЕНИЯ С ОЯТ ЖСР. ПРОЕКТ ВНИИНМ

  • Примерно 10 % топлива ежемесячно откачивается из реактора.
  • Выдержка — ​10 дней.
  • Экстракция благородных металлов, молибдена и технеция (поток РАО‑1).
  • Экстракция продуктов коррозии: хрома, никеля, железа, циркония (поток РАО‑2).
  • Экстракция продуктов деления и недогоревших актинидов в несколько стадий.
  • Реэкстракция: актиниды, очищенные от других продуктов деления, опять вводятся в расплав соли.
  • Удаление избытка соли (поток РАО‑3).
  • Корректировка состава соли до равновесного состояния.

Андрей Шадрин, ведущий эксперт ВНИИНМ, научный руководитель и главный технолог объединенного проекта по разработке базовых технологий переработки ОЯТ и обращения с РАО проектного направления «Прорыв»:

— Для создания топлива жидкосолевого реактора нужно решить две основные задачи. Во-первых, получение фторидов плутония, нептуния, америция и кюрия, выделенных из ОЯТ тепловых реакторов, для стартовой загрузки и последующих перегрузок и введение этих добавок в несущую соль. Во-вторых, переработка облученной топливной соли. Часть соли периодически выводится из реактора. После кратковременной выдержки из нее нужно извлечь коррозионные примеси и продукты деления, а поток не поделившихся актинидов вместе с несущей солью объединить со свежим, подпитывающим, потоком актинидов. То есть разные задачи — ​фабрикация и переработка — ​сливаются в единый технологический процесс. В идеале процесс переработки соли и подпитки реактора свежим топливом должен быть непрерывным.

Предложено несколько технологических схем переработки облученной топливной соли, планируется провести технико-экономические исследования каждой из них. Идут эксперименты по определению фундаментальных свойств фторидов актинидов и расплавов несущих солей, содержащих актиниды, эксперименты по обоснованию технической реализуемости предложенных схем.

Эксперименты и расчеты находятся на начальном этапе. Но есть уверенность в успешном решении технических проблем: у нашего уникального коллектива многолетний опыт разработки ядерного топлива и технологий обращения с ОЯТ, мы сотрудничаем с другими институтами отрасли, Академии наук и вузами — ​НИИАР, Радиевым институтом, ИВТЭ СО РАН, УрФУ и др.

Государственный научный центр Российской Федерации АО «ВНИИНМ» является головной организацией Росатома по вопросам материаловедения и технологий ядерного топливного цикла, технологий обращения с делящимися и ядерными материалами, остающимися в оборонной области.