Исследователи из Ливерпульского университета и компании Copenhagen Atomics утверждают, что чистота соли является критическим фактором в предотвращении коррозии нержавеющей стали в жидкосолевых реакторах. Тем временем в Нидерландах на высокопоточном реакторе HFR начались испытания материалов для таких реакторов облучением.
Жидкосолевые реакторы (ЖСР) используют расплавленные фторидные соли в качестве основного теплоносителя при низком давлении. Они могут работать как в эпитепловом, так и в быстром нейтронном спектре, используя различные виды топлива. В настоящее время значительный интерес к возрождению концепции ЖСР связан с использованием тория (для воспроизводства делящегося урана-233), что требует наличия исходного делящегося материала, такого как плутоний-239. Существует ряд различных концепций ЖСР и ряд интересных проблем при коммерциализации многих из них, особенно с торием.
Исследование, проведенное британским Ливерпульским университетом и датской компанией Copenhagen Atomics и опубликованноеexternal link, opens in a new tab в Journal of Nuclear Materials, показывает, что высокая чистота соли предотвращает коррозию нержавеющей стали 316L — широко используемого экономически эффективного материала — в ЖСР. Это открытие прокладывает путь к созданию более доступных, долговечных и масштабируемых ядерных энергосистем следующего поколения. Агрессивная высокотемпературная среда расплавленных фторидных солей исторически вызывала быструю коррозию конструкционных материалов, ограничивая их коммерческую жизнеспособность. Прежние решения основывались на дорогих высоконикелевых сплавах, что увеличивало затраты и усложняло производство.
Исследователи провели долгосрочные коррозионные испытания нержавеющей стали 316L в очищенных и необработанных расплавленных солях (FLiNaK и LiThF) при температурах до 700°C. Результаты показали, что необработанные соли, содержащие влагу и оксиды, вызывали сильную коррозию с потерей металла, деградацией поверхности и ослаблением структуры всего за 1000 часов. Однако в очищенных солях, из которых удалены примеси, коррозия была незначительной даже после 3000 часов. Сталь сохранила свою целостность, и на ее поверхности образовался лишь тонкий защитный слой карбида хрома.
«Чистота соли абсолютно центральна для контроля коррозии в жидкосолевых реакторах», — заявил Маулик Патель, профессор ядерных материалов Ливерпульского университета, соавтор исследования. «Эти результаты подтверждают то, на что указывали десятилетия исследований, включая работы в Ок-Ридже в эпоху MSRE: если удалить реакционноспособные примеси, расплавленные соли могут стать стабильной и управляемой средой для реакторных материалов. Это крупный шаг вперед для данной области».
Томас Стинберг, соучредитель и вице-президент по критически важным материалам Copenhagen Atomics, добавил:
«Есть надежда, что это исследование раз и навсегда развеет „миф о коррозии“, утверждающий, что ЖСР неосуществимы из-за коррозии. Использование инженерных методов контроля гораздо предпочтительнее, чем применение экзотических "недоступных" сплавов».
«Хотя это исследование создает прочную основу, необходимы дальнейшие исследования для оценки воздействия радиации, продуктов деления и динамических условий реактора на долговременные характеристики материалов», — отметили в Copenhagen Atomics. «Оптимизация методов очистки соли также будет важна для устранения даже следовых количеств примесей».
Copenhagen Atomics разрабатывает контейнеризированный жидкосолевой реактор. Замедляемый тяжелой водой, находящейся под атмосферным давлением, реактор потребляет ядерные отходы, одновременно воспроизводя новое топливо из тория. Имея размеры, достаточные для организации массового производства и конвейерной сборки, реактор обладает тепловой мощностью 100 МВт.
Испытания облучением
Тем временем NRG-Pallas объявила о начале исследований материалов для ЖСР на реакторе с высоким потоком (HFR) в Петтене, Нидерланды. Эти исследования облучением, проводимые в рамках исследовательской программы NRG-Pallas по поручению Министерства экономики и климатической политики, будут изучать взаимодействие между солью и конструкционными материалами будущего ЖСР.
Начиная с 2015 года NRG-Pallas развивает возможности для квалификации жидкосолевого топлива и конструкционных материалов ЖСР (сплавы, графит и т.д.) для использования в высокотемпературном нейтронном поле.
HFR является одним из немногих в мире исследовательских реакторов для испытания материалов, способных исследовать ядерное топливо и достигать значительных нейтронных повреждений в конструкционных материалах. Реактор используется как для производства медицинских изотопов, так и для исследований в области ядерной энергетики и работает на полной мощности примерно 260 дней в году, с периодическими остановками для технического обслуживания и загрузки топлива. Высокий нейтронный поток в сочетании с измерительным оборудованием позволяет проводить ускоренные испытания материалов и топлива в контролируемых условиях. HFR будет заменен новым реактором Pallas, строящимся в Петтене, что обеспечит непрерывность этих уникальных услуг по облучению ядерных топлив и материалов.
«Программа по расплавленным солям в NRG PALLAS включает исследования подходящих конструкционных материалов, переработку и очистку расплавленных солей, а также стабилизацию радиоактивных отходов», — заявил Арьян Врелинг, менеджер по ядерным облучениям в NRG-Pallas. «В рамках программы уже завершено несколько проектов. Данное облучение является новаторским, поскольку влияние радиации на коррозию конструкционных материалов ранее не тестировалось. В течение нескольких лет мы сможем увидеть, как ведет себя материал.
Кроме того, мы определяем, какие продукты деления высвобождаются из топлива во время облучения. Топливо должно оставаться как можно более чистым во время использования, поэтому важно знать, остаются ли образующиеся продукты деления в растворенном состоянии, выпадают в осадок или являются газообразными. В рамках этой программы по расплавленным солям мы сотрудничаем с Объединенным исследовательским центром Европейской комиссии. Соль поставляется из Карлсруэ, а проектирование облучательного устройства осуществляется совместно с Петтеном. Это уникальное исследование, которое приближает реализацию жидкосолевых реакторов еще на один шаг».
