ГЛАВА 5
ЖИДКОСОЛЕВЫЕ РЕАКТОРЫ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
§ 16. ЖИДКОСОЛЕВЫЕ КОНВЕРТЕРЫ НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ
Жидкосолевые ядерные реакторы могут иметь очень широкий спектр различных применений. Они могут работать не только в качестве описанного в предыдущей главе реактора- размножителя, но и в высокоэффективном конвертерном режиме; использоваться для АЭС, работающих в режиме переменных нагрузок; обеспечивать высокотемпературным теплом различные технологические процессы и т. д.
Расширенное воспроизводство топлива в уран-ториевом ЖСР на тепловых нейтронах может быть достигнуто только при условии непрерывного выведения из активной зоны Ра и отравляющих продуктов деления. Однако в таком реакторе может быть обеспечена достаточно низкая стоимость топливного цикла и без выведения этих продуктов [24]. В этом случае ЖСР будет работать уже не в бридерном, а в конвертерном режиме. При таком режиме работы топливная соль периодически заменяется на свежую, a U, воспроизводимый из Th, извлекается из отработанной топливной соли и возвращается в реактор. Подпитка делящимся горючим для поддержания критичности может производиться или 235U, или Рu. Единственным процессом непрерывной очистки топлива, который остается в такой системе, является процесс непрерывного выведения газообразных продуктов деления (Хе, Кr), который был освоен при работе с MSRE (см. § 6).
Состав топливной соли и композиция активной зоны конвертерного реактора могут быть точно такими же, как и у MSBR. Стоимость топливного цикла для этого реактора в первую очередь зависит от частоты замены топливной соли и частоты замены графитового замедлителя. Время жизни графита определяется плотностью энерговыделения в активной эоне. Если рассматривать реакторы с большими размерами активной зоны (чтобы плотность энерговыделения не превышала 8 В т/см3), то графит наберет предельно допустимый флюенс (3-1022 нейтр/см2) при коэффициенте нагрузки 0,8 за 30 лет, т. е. за время полного ресурса реактора (37]. Мы будем рассматривать характеристики именно таких больших конвертерных реакторов, в которых замена графита не предусматривается.
КВ для ЖСР зависит от концентрации продуктов деления в топливной соли, которая, в свою очередь, определяется скоростью выведения этих продуктов из соли. Из рис. 33 видно, что увеличение периода выведения редких земель от 10 суток до одного года приводит к уменьшению КВ не более чем на 10%. Очевидно, что при достаточно частой замене топливной соли концентрацию продуктов деления можно в принципе поддерживать на любом уровне. Поэтому вопрос состоит не в том, достижимо ли то или иное значение КВ физически, а в том, является ли оно экономически целесообразным.
Эффективность конвертерного реактора зависит от объемной доли соли в активной зоне, концентрации Th в топливной соли, продолжительности топливного цикла и выбора делящегося горючего для первой топливной загрузки и подпитки реактора. Исследование влияния каждого из этих параметров показывает, что оптимальная объемная доля топливной соли в активной зоне составляет 12%, а длительность топливного цикла имеет оптимальное значение в области шести лет.
При изменении концентрации Th в топливной соли изменяется доля поглощений нейтронов в делящихся и сырьевых материалах. Поэтому при увеличении концентрации тория КК увеличивается ценой увеличения топливной загрузки. Из рис. 34 видно, что первая топливная загрузка и Рu (с переходом на уран после четырех лет работы) дает очень близкие результаты. Это связано с тем, что 233U очень быстро становится основным делящимся изотопом в обоих случаях. Соотношения между стоимостью топливного цикла и КК для этих же составов топливной соли приведены на рис. 35. Коэффициент конверсии, соответствующий минимальной стоимости топливного цикла, лежит в области 0,8—0,85 при молярной концентрации Th в топливной соли около 6%.
Технологические проблемы, связанные со строительством и эксплуатацией жидкосолевых конвертеров, те же, что и для жидкосолевых размножителей, за исключением переработки топлива, которая здесь почти полностью отсутствует. Иными
словами, конвертерный ЖСР является просто упрощенным вариантом жидкосолевого реактора-размножителя. И представляется целесообразным начать освоение таких реакторов именно с более простых конвертеров, с тем, чтобы в дальнейшем перевести их на режим расширенного воспроизводства, присоединив к ним соответствующие установки, перерабатывающие топливо. Отметим также, что жидкосолевой конвертер может работать и на уран-плутониевом топливном цикле. Правда, в этом случае его КК будет несколько меньше.
Рис. 35. Стоимость топливного цикла MSCR (в условных единицах) в зависимости от КК при 6-летнем топливном цикле: 1 — стоимость сгоревшего топлива; 2 — стоимость загрузки и замены соли; 3 — стоимость топливной загрузки; 4 — полная стоимость
Представляет интерес рассмотреть работу ЖСР без переработки топлива при максимально возможном периоде замены топливной соли. Для реактора типа MSBR-1000 загрузка топливной солью составляет 162 т. Предельно допустимое содержание продуктов деления ограничено их растворимостью в соли и составляет 8 т. Такое количество шлаков накапливается в реакторе за 12 лет работы при коэффициенте нагрузки 1=0,8, а глубина выгорания топлива достигает в этом случае 94,0 МВт · сут/кг.
Таблица 20
Параметры ядерных реакторов на тепловых нейтронах и потребление ими топлива за 12 лет работы
Из табл. 20 видно, что средний КВ в ЖСР составляет 0,823, в то время как для реакторов ВВЭР и РБМК он не превышает 0,64—0,65. Количество необходимого для подпитки реактора 235U для ЖСР в 2—3 раза меньше по сравнению с ВВЭР и РБМК, а глубина выгорания топлива в 2,4 раза больше, чем у ВВЭР и в 5 раз больше, чем у РБМК. Поскольку капитальные составляющие стоимости электроэнергии для ЖСР типа MSBR и PWR соизмеримы (см. § 14), а использование ЖСР даст выигрыш в топливной составляющей, то и экономичность такого жидкосолевого конвертера будет более высокой, чем у современных водо-водяных реакторов.
