§ 9. ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТОПЛИВА ДЛЯ УРАН-ТОРИЕВОГО ЖИДКОСОЛЕВОГО РЕАКТОРА-РАЗМНОЖИТЕЛЯ
Рис. 17. Технологическая схема системы отвода и очистки газов в реакторе MSBR:
1 — резервуар для складирования; 2 — очистка от аэрозолей; 3 — бак- отстойник; 4 — сепаратор; 5 — барботер; 6 — топливный насос; 7 — система пористых мембран; 8 — резервуар для складирования; 9 — компрессор; 10 — фильтр; 11 — очистка и система контроля; 12 — линия задержки (90 дней); 13 — химическая очистка; 14 — фильтр; 15 — линия задержки (47 часов)
Рассмотрим возможную организацию системы переработки топлива, позволяющую обеспечить режим расширенного воспроизводства в уран-ториевом цикле. Для определенности будем использовать параметры АЭС с реактором MSBR-1000. Саму технологическую схему переработки топливной соли удобно разделить на две — систему отвода газообразных продуктов деления (рис. 17) и систему переработки растворимых в топливной соли продуктов деления и коррозии (рис. 18) [52].
Работа системы отвода газов (см. рис. 17) основана на использовании плохой растворимости газообразных продуктов деления в топливной соли. Эти продукты быстро мигрируют к границе соль — газ, переходя в газовую фазу. Для увеличения объема газовой фазы часть потока топливной соли проходит через байпасный контур, в котором установлен барботер 5, насыщающий расплавленную соль пузырьками He. Кроме того, He поступает в рабочую полость насоса 6, где насыщает топливную соль при ее разбрызгивании в этой полости. В байпасном контуре установлен также газовый сепаратор 4, в котором происходит разделение газовой и жидкой фазы с почти 100%-ной эффективностью. Из сепаратора газ-носитель (He), содержащий Хе, Кr, а также аэрозоли частиц благородных металлов и продуктов их распада, поступает в бак-отстойник 3, где пазовая смесь задерживается на два часа. В течение этого времени происходит распад короткоживущих изотопов, а также осаждение твердых продуктов распада на внутренних поверхностях бака-отстойника. Из отстойника газ через систему фильтров очистки от аэрозолей 2 поступает на 47-часовую линию задержки 15, где в качестве сорбента используется активированный уголь. Затем, когда от исходного количества 135Хе остается только 3%, основной поток газа возвращается в барботер, а остальная часть поступает на вторую линию задержки 12, обеспечивающую выдержку радиоактивных изотопов в течение 90 дней. После второй линии задержки газ поступает в систему очистки от Т и изотопов Хе и Кr. Здесь газ проходит над поверхностью окиси меди при температуре 815° С, при этом Т окисляется до Т2О.
Затем газ охлаждается до температуры —18° С и проходит через угольные фильтры, где происходит поглощение Т2О, Кr и Хе. Система фильтров образована несколькими линиями, каждая из которых периодически (один раз в 4 дня) регенерируется подогревом до 260° С. Десорбированные с фильтров газообразные продукты деления поступают в специальные емкости, в которых поддерживается температура жидкого азота.
Практическая реализация такой системы отвода газообразных продуктов деления связана с решением ряда технических проблем, главными из которых являются создание надежной системы охлаждения бака-отстойника, периодическая замена фильтров из активированного угля и обеспечение герметичности контура циркулирующего радиоактивного газа.
Время полной переработки топливной соли для реактора MSBR-1000 выбрано равным 10 суткам, что соответствует расходу потока соли через контур переработки 56 ом3/с. Поток топливной соли, отведенный в байпасный контур (рис. 18), поступает во фторатор 2, в котором методом фторирования из соли выводится 99% содержащегося в ней урана в виде UF6. Затем соль поступает в экстрактор 4, в котором Организован противоток топливной соли и расплавленного Bi с растворенным в нем Li. Здесь происходит переход Ра и остатков U, содержащихся в топливной соли, в висмутовую фазу. Из экстрактора поток Bi поступает в гидрофторатор 14, где Ра и остатки U выводятся из него в захватный объем расплавленной соли, взаимодействуя с газовой смесью HF—Н2. Захватный объем расплавленной соли поступает во фторатор 13, где выводятся последние остатки U. Очищенная таким образом от урана соль с содержащимся в ней Ра поступает в отстойник 12, где выдерживается до полного распада Ра, а затем во фторатор 11 для выведения U, образовавшегося в результате распада Ра.
Поток топливной соли, выходящий из экстрактора 4 и уже не содержащий U и Ра, направляется в экстрактор 7, где организован противоток соли и расплава Bi с молярным содержанием Li и Th соответственно 0,2 и 0,25%. Такие концентрации обеспечивают экстракцию в висмутовую фазу большей части редкоземельных элементов. Основная часть этого потока Bi подается в экстрактор 8, где поток расплавленного LiCl реэкстрагирует из Bi продукты деления. Регенерация LiCl осуществляется в экстракторах 9 и 10. Через экстрактор 10 пропускают Bi с молярным содержанием Li 5%, в который переходят трехвалентные редкоземельные элементы. Основная часть вышедшего из экстрактора 10 потока LiCl возвращается в экстрактор 8, а небольшой его объем (около 2%) поступает в экстрактор 9, где двухвалентные редкоземельные и щелочноземельные элементы экстрагируются в поток жидкого Bi с молярным содержанием Li 50%.
Система переработки замыкается соединением обработанной соли, выходящей из экстрактора 7, с U и последующей очисткой ее от примесей Bi, захваченного солью в процессе переработки. Первый из этих процессов осуществляется в восстановительной установке 6, где через расплавленную соль барботируется UF6 и Н2. В результате UF6 восстанавливается до UF4 и растворяется в соли.
Очистка соли от Bi необходима, так как Ni, содержащийся в конструкционных материалах, очень хорошо (до 10%) растворим в Bi. Кроме Bi необходимо очистить соль от продуктов коррозии конструкционных материалов FeF2 и NiF2, которые выщелачивают Сг из конструкционных материалов. Очистка от этих примесей может быть осуществлена пропусканием потока соли черев систему фильтров из никелевых стружек, обработкой потоком Н2 и пропусканием через металлический фильтр 5.
Таким образом, система переработки топлива состоит из набора аппаратов, в которых осуществляются отдельные физико-химические процессы выведения растворенных в соли продуктов деления. В число этих аппаратов входят фтора торы 2, 11, 13, экстракторы 4, 7, 8, 9, 10, отстойник 12, восстановитель урана 6 и система фильтров 5.
Фторатор 2 выполнен в виде цилиндра высотой 4,6 м и диаметром 20 см. Процесс фторирования UF4, растворенного в топливной соли, сопровождается сильной коррозией металлических конструкций. Чтобы предохранить корпус фторатора от коррозии, предполагается создание на стенках слоя замороженной соли-гарнисажа, получаемого путем охлаждения стенок потоком жидкости, например эвтектическим расплавом LiF—BeF2, прокачиваемым через рубашку охлаждения.
Экстрактор протактиния 4 выполнен в виде цилиндрической колонки диаметром 7,6 см, заполненный кольцами Рашита, имеющими размер 0,95 см. При высоте колонки 3 м этот экстрактор эквивалентен пяти ступеням. Экстракторы 7 и 8 имеют диаметр колонки 30 см и заполнены кольцами Рашита размером 1,3 см. Каждая из этих колонок эквивалентна трем ступеням.
Для восстановительной установки 6, так же как и для фторатора, очень остро стоит проблема коррозии конструкционных материалов, поскольку образующиеся в процессе восстановления соединения урана UF5 и U4F17 являются сильными окислителями. Предварительные исследования показали, что никель, графит и медь в такой окислительной среде сильно корродируют. Золото может стоять в среде газообразного UFe и расплавленной топливной соли при массовом содержании UF6 до 6%. Однако окончательно вопрос о конструкционных материалах здесь еще не решен.
Методы переработки топлива, реализуемые в рассмотренной системе, обладают рядом привлекательных качеств. Прежде всего, выведение из топливной соли продуктов деления сопровождается заменой их на LiF, являющийся основным составным элементом топливной композиции. За 30 лет работы реактора MSBR в топливную соль дополнительно поступает 10% того количества LiF, которое содержится в свежей топливной композиции. Важным обстоятельством является также то, что эффективность процессов выведения малочувствительна к небольшим изменениям рабочих условий, таких, как температура, скорости потоков, концентрация восстановителя и т. д. [53].
