§ 15. ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЖИДКОСОЛЕВЫХ РЕАКТОРОВ-РАЗМНОЖИТЕЛЕЙ НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ
Рассмотренный в предыдущих параграфах проект MSBR не исчерпывает всех возможностей, заложенных в этой схеме. Целью этого проекта было показать, что даже при не слишком напряженных параметрах энергоустановки ЖСР обладают такими характеристиками, которые позволяют рассматривать их как одно из возможных перспективных направлений развития ядерной энергетики. Эффективность жидкосолевых реакторов-размножителей можно увеличить различными путями. Рассмотрим некоторые из них.
Двухпетлевой жидкосолевой реактор.
В проекте MSBR рассматривалась однопетлевая схема циркуляции топлива и сырья для воспроизводства горючего через реактор. Принципиальным недостатком такого моножидкостного реактора является наличие большого количества делящегося материала в зоне воспроизводства, где он используется менее эффективно, чем в активной зоне. Это приводит к худшему соотношению между удельной загрузкой топлива и КВ горючего, чем в реакторе, где делящееся горючее и сырье для воспроизводства распределены оптимальным образом.
Для того чтобы получить оптимальное распределение, можно организовать двухпетлевую систему циркуляции расплавленной соли через реактор. Через зону воспроизводства в таком двухпетлевом реакторе циркулирует соль, содержащая только сырье для воспроизводства горючего, а соль, циркулирующая через активную зону, содержит и ядерное горючее, и сырье. Такой реактор будет обладать лучшими нейтронно-физическими параметрами, чем моножидкостной реактор, благодаря сочетанию максимально возможной эффективности зоны воспроизводства с минимальной топливной загрузкой. Анализ двухпетлевого реактора показывает, что в нем можно достигнуть КВ=(1,07-1,08) при одновременном уменьшении загрузки топлива. Стоимость топливного цикла для него по крайней мере так же низка, как и для однопетлевого реактора [76, 85].
Недостатком двухпетлевого реактора является более сложная конструкция, которая предусматривает организацию двух независимых контуров циркуляции расплавленной соли в реакторе и затрудняет инженерное решение периодической замены графита в активной зоне. Именно эти причины и заставили на первом этапе рассматривать более простой в конструкционном отношении однопетлевой моножидкостной реактор [75].
Увеличение единичной мощности реактора.
Эффективность зоны воспроизводства, окружающей активную зону реактора, очень сильно зависит от ее толщины. Зона воспроизводства в моножидкостном реакторе содержит тем большую долю топливной загрузки, чем меньше размеры реактора. Поскольку плотность энерговыделения в активной зоне ограничена временем жизни графита, то увеличение полной мощности реактора ведет к увеличению размеров активной зоны. В результате этого удельная загрузка топливом уменьшается, а КВ увеличивается, если реактор оптимизирован по всем остальным параметрам. Сравнение параметров ЖСР с различной единичной мощностью, приведенных в табл. 19, показывает, что увеличение мощности жидкосолевого реактора-размножителя ведет к существенному улучшению его характеристик.
Увеличение удельной мощности реактора.
Уменьшение времени удвоения топлива в реакторе-размножителе может быть достигнуто также прямым увеличением удельной мощности реактора. Правда, это приведет к увеличению потока нейтронов в активной зоне и тем самым к ускорению радиационного повреждения графита, что потребует более частой его замены. Однако конструкция реактора позволяет производить эту замену достаточно быстро, не снижая существенно коэффициента нагрузки. Поэтому этот путь может оказаться достаточно эффективным.
Таблица 19
Параметры моножидкостного MSBR при различной единичной мощности W, МВт(эл) [76]
Увеличение удельной мощности может быть достигнуто несколькими путями. Один из них — увеличение скорости циркуляции топлива через реактор. В проекте MSBR максимальная скорость циркуляции топливной соли в активной зоне составляет 2,6 м/с. Это не слишком большая скорость, и она может быть увеличена в 1,5—2 раза.
Второй путь — увеличение подогрева топливной соли в реакторе. Средняя температура активной зоны в этом случае увеличится, поскольку температуру соли на входе в реактор снижать нельзя. Радиационная стойкость графита и совместимость топливной соли с хастеллоем при увеличении температуры ухудшаются. Поэтому этот путь кажется менее предпочтительным. Однако главная проблема — увеличение стойкости конструкционных материалов. Создание в будущем более стойких к радиационному воздействию сортов графита и более коррозионностойких и жаростойких металлических сплавов может существенно улучшить параметры жидкосолевых реакторов-размножителей.
Рассмотренные способы увеличения удельной мощности связаны с увеличением -плотности энерговыделения и потока нейтронов в активной зоне реактора. Другой путь увеличения удельной мощности связан с уменьшением полной загрузки топливной соли <в контуре циркуляции. Загрузка топливной соли в реакторе составляет примерно меньше половины полной 78 загрузки соли в контуре. Поэтому если топливную соль разместить только в активной эоне, а теплоотвод обеспечить каким-либо другим способом (но без введения конструкционных материалов в активную зону), то топливная загрузка в системе уменьшится почти в 2 раза. Такой отвод тепла может быть осуществлен, например, продувкой через расплавленную соль, находящуюся в активной зоне, гелия или какого-либо другого газа, не взаимодействующего с солью. При этом в качестве теплоносителя первого контура будет теперь использоваться не сама топливная соль, а газ, циркулирующий через реактор.
Увеличение КВ.
Увеличение выхода вторичного топлива в ЖСР может быть достигнуто, кроме того, увеличением КВ. В этом направлении также есть некоторые резервы.
В общем балансе нейтронов в MSBR (см. табл. 15) около 8% поглощений приходится на 234U, а на всю цепочку, следующую за 234U, — еще 9,3% поглощений. Захват нейтронов в 235U и приводит к образованию 235U, который дает значительно меньше вторичных нейтронов при делении, чем 233U. Поэтому если из топливной соли непрерывно выводить 234U, это приведет к увеличению (КВ—1) в 1,5—2 раза в зависимости от степени очистки U. Извлечение 234U может быть осуществлено включением в систему установки, разделяющей изотопы. Организация процесса разделения изотопов облегчается тем, что U выводится из топливной соли уже в виде газообразного соединения — UF6.
Разделение изотопов U конечно вызовет удорожание топливного цикла, но увеличение выхода вторичного топлива в принципе может компенсировать это. Однако здесь, как впрочем и для всех описанных выше способов увеличения эффективности реактора, требуется проведение тщательных экономических расчетов.
Таким образом, оставляя пока в стороне вопросы экономики, можно утверждать, что комплекс вышеописанных мероприятий может привести к уменьшению времени удвоения топлива в жидкосолевом реакторе-размножителе в несколько раз. Например, оценки, выполненные Л. Рейчлом [13], для так называемого реактора MSBR 2000-го года показывают, что при увеличении температуры топливной соли на выходе из реактора до 815° С и интенсификации процессов выведения продуктов деления и отвода тепла от топливной соли можно снизить удельную загрузку топливом до 0,385 по сравнению с 0,67 кг/МВт(тапл) для MSBR-1000, что при КВ=1,08 обеспечит время удвоения топлива Т2=10 лет. Это означает, что жидкосолевой реактор-размножитель на тепловых нейтронах может рассматриваться как альтернатива жидкометаллическим реакторам-размножителям на быстрых нейтронах в ядерной энергетике будущего.
