§ 2. ПРЕИМУЩЕСТВА РЕАКТОРОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ
Реализация физико-химической концепции ядерного реактора связана с разработкой новой технологии и решением ряда сложных технических задач. Поэтому прежде всего необходимо понять, насколько усилия, необходимые для решения этих задач, оправданы с точки зрения потенциальных преимуществ реакторов физико-химической концепции.
В чем же состоят эти преимущества? Рассмотрим последовательно каждое из них.
Высокоэффективный баланс нейтронов. В реакторах с жидким или газообразным топливом легко ор ганизовать непрерывную циркуляцию горючего через байпасный контур, в котором теми или иными методами топливо будет освобождено от продуктов деления. Это первая причина хорошего баланса нейтронов.
Само топливо, находясь в жидкой или газообразной фазе, может выполнять роль теплоносителя, в этом случае передача энергии деления осуществляется вне активной зоны. Следовательно, в таких реакторах нейтронно-физические и теплофизические требования развязаны, т. е. они не обязательно должны быть согласованы в одном физическом объеме — объеме активной зоны. В результате количество конструкционных материалов в активной зоне значительно уменьшается и, следовательно, уменьшается паразитный захват нейтронов.
Количественным показателем эффективности нейтронного баланса служит коэффициент конверсии топлива, который в тепловых ЖСР достигает значений 0,8—0,9 для уран-плутониевого топливного цикла, а для уран-ториевого цикла может быть даже реализовано расширенное воспроизводство топлива с коэффициентом воспроизводства 1,06—1,10 [8, 17].
Низкие удельные загрузки топливом в рассматриваемых реакторах достигаются благодаря тем же причинам. Уменьшение критической загрузки в активной зоне может быть настолько значительным, что оно полностью компенсирует дополнительное увеличение загрузки из-за наличия топлива в системе теплообменника и контура переработки. Например, в жидкосолевом реакторе-размножителе на тепловых нейтронах удельная загрузка делящимся горючим не превышает 1,5 кг/МВт (эл) [8], в то время как для реакторов ВВЭР-1000 или РБМК-1000 она составляет 2,9 кг/МВт(эл) и 3,16 кг/МВт (эл) соответственно [2]. Для более корректного сравнения к этим удельным загрузкам твердотопливных реакторов следует добавить то делящееся горючее, которое находится в цикле переработки и рефабрикации твэлов. При годичном цикле переработки топлива эквивалентная удельная загрузка возрастает для ВВЭР-1000 до 3,9 1Кг/МВт(эл).
Это обстоятельство может оказаться решающим для экономии естественных запасов делящегося горючего. Низкие удельные загрузки жидкосолевых реакторов в сочетании с высоким коэффициентом конверсии топлива позволяют удвоить или даже утроить энергетические мощности реакторов на той же сырьевой базе (рис. 1).
Большая глубина выгорания горючего.
В реакторах с твердотопливными твэлами глубина выгорания ограничена радиационными повреждениями, приводящими к ухудшению теплофизических и механических свойств твэла. Кроме того, выгорание делящихся изотопов и накопление продуктов деления приводят к уменьшению реактивности, и поэтому также ограничивают глубину выгорания топлива.
В реакторах с жидкими топливными элементами в принципе нет проблемы изменения механических свойств твэла под действием излучения, а изменение теплофизических свойств топлива незначительно. Если при этом принять во внимание, что организация непрерывного удаления основных продуктов деления обеспечивает коэффициент конверсии топлива близкий к единице, то можно утверждать, что глубина выгорания в этих реакторах практически неограниченна.
Если даже в жидкотопливном реакторе отказаться от переработки топлива, то и в этом случае глубина выгорания может быть в несколько раз больше, чем в твердотопливных реакторах. Это связано с лучшим балансом нейтронов и с возможностью непрерывной подпитки их свежим топливом, компенсирующим выгорание. Например, за десятилетнюю кампанию в жидкосолевых реакторах можно выжечь около 1,0% естественного урана, что почти в 3 раза больше выгорания, допустимого в реакторах типа ВВЭР.
Высокий уровень ядерной безопасности реакторов физико-химической концепции связан с рядом их специфических свойств. Прежде всего, эти реакторы обладают мгновенным отрицательным температурным коэффициентом реактивности, который обеспечивает саморегулируемость системы по температуре. Этот отрицательный температурный коэффициент связан главным образом с тепловым расширением жидкого топлива, поэтому саморегулирование реактора осуществляется практически безынерционно.
Возможность непрерывной подпитки реактора свежим топливом позволяет компенсировать выгорание, поэтому нет необходимости создавать начальный запас реактивности и использовать в реакторе компенсирующие стержни регулирования.
В реакторах с циркулирующим горючим поверхность раздела, через которую осуществляется передача тепла от топлива к теплоносителю, находится вне активной зоны. Это также увеличивает ядерную безопасность, так как именно поверхность раздела между горючим и теплоносителем в твердотопливных реакторах является весьма уязвимым местом. В реакторах с циркулирующим топливом само горючее выполняет функцию теплоносителя. Это означает, что природа таких реакторов исключает весь комплекс проблем, связанных с понятием потери теплоносителя.
Наконец, отметим еще одно обстоятельство. Наращивание мощности в твердотопливных реакторах, как правило, осуществляется увеличением числа твэлов. Это приводит к уменьшению статистической надежности системы. Реакторы с жидким топливом фактически представляют собой однотвэльный аппарат, в котором повышение мощности может быть достигнуто просто увеличением его размеров. При этом статистическая надежность системы не уменьшается.
Возможность гибкой работы реактора в режиме переменных нагрузок.
Потребность в электроэнергии, как известно, не постоянна. Она резко уменьшается в ночное время, а также в нерабочие дни недели. Поэтому значительная часть (до 20%) электростанций должна работать в режиме переменных нагрузок. Обычные реакторы с твердотопливными элементами малопригодны для этих целей. Периодическое регулирование их мощности приводит к значительным термоциклическим нагрузкам в твэлах, что снижает ресурс их работы. Другая проблема связана с ксеноновым отравлением реактора при суточных остановках. Если компенсировать такое отравление стержнями регулирования, то происходит перекос тепловыделения в реакторе и, как следствие этого, возникают дополнительные термоциклические нагрузки.
Реакторы с жидкотопливными элементами по своей сути лишены обоих этих недостатков. Понятие термонапряжений в жидкости просто лишено смысла, а ксенон в силу малой растворимости в жидком топливе может быть легко выведен из активной зоны. Более того, отрицательный температурный коэффициент реактивности и наличие циркуляции топлива через активную зону позволяют осуществлять глубокое регулирование мощности реактора (до 90%) при почти полном сохранении поля температур в активной зоне [19].
Сравнительная простота и дешевизна топливного цикла.
В топливном цикле реакторов с жидким или газообразным топливом, в отличие от твердотопливных реакторов, исключаются операции перевода топлива из твердой фазы в жидкую или газовую, а также рефабрикация твэлов. Кроме того, здесь не нужны дефицитные и сравнительно дорогие материалы, используемые для изготовления оболочки твердых твэлов. Соединение в одном аппарате собственно ядерного реактора и топливоперерабатывающей установки исключает необходимость остановки реактора для перегрузки топлива и транспортирование облученного топлива н а перерабатывающие заводы. Загрузку и выгрузку топлива и подпитку свежим топливом можно здесь производить непрерывно при помощи сравнительно простого оборудования и без вскрытия корпуса реактора. В результате топливная составляющая стоимости электроэнергии для реакторов физико-химической концепции будет значительно меньше, чем для реакторов теплотехнической концепции [13].
Высокое качество нарабатываемого топлива. В реакторах с твердотопливными твэлами изотопный состав выгружаемого в конце кампании топлива можно регулировать, только изменяя длительность самой кампании. По-другому дело обстоит в реакторах с жидким или газообразным топливом. Непрерывное выведение из активной зоны как промежуточных (протактиний или нептуний), так и конечных продуктов наработки (уран или плутоний) позволяет в широких пределах изменять изотопный состав нарабатываемого топлива. Например, если выводить Ра из топливной соли ЖСР с периодом 3 суток, то относительная концентрация 232U в смеси изотопов будет на два порядка меньше, чем в твердотопливном уран-ториевом реакторе при кампании 1,5 года [20].
Аналогичная ситуация имеет место и в уран- плутониевом цикле. Непрерывный вывод из топлива 239Νρ позволяет значительно снизить содержание 240Рu в составе изотопов нарабатываемого плутония.
Широкий диапазон возможных применений. В общем энергетическом балансе только около четверти вырабатываемой энергии производится в виде электричества, а остальная ее часть идет на производство тепла для бытовых, промышленных и транспортных нужд. Рост долм ядерной энергетики с неизбежностью должен привести к использованию ядерных реакторов для производства всех основных видов энергии, потребляемой обществом. Пожалуй, в первую очередь после электроэнергии это относится к производству высокотемпературного тепла для обеспечения ряда технологических процессов, таких, как металлургические процессы, реформинг угля, получение водорода и т. д.
Реакторы физико-химической концепции являются достаточно гибкими системами. В них плотность энерговыделения не ограничена возможностью теплопередачи внутри активной зоны между топливом и теплоносителем. Кроме того, здесь можно использовать различные топливные композиции: жидкие (водные растворы, жидкие металлы [7] и расплавы солей [8]) и газообразные (пары металла [5], различные смеси газов с гексафторидом урана [4] и т. д.). Все это дает основание считать, что рассматриваемые реакторы позволяет охватить широкую область технологических применений и могут быть использованы для различных специальных целей.
Например, в жидкосолевых реакторах теплоноситель допускает нагревание до температуры 1000—1300°С при давлении в контуре, не превышающем нескольких атмосфер [14]. Это обстоятельство важно для организации высокотемпературных химических процессов, поскольку большинство из них протекает при низких давлениях, и поэтому нежелательно иметь высокое давление в теплообменнике [21].
Другие примеры можно привести из области специальных применений. Использование реактора с газофазным топливом, нагретым до температуры в несколько десятков тысяч градусов, создает уникальную возможность достижения в ядерном ракетном двигателе больших тяг одновременно с очень высоким импульсом [5]. Весьма привлекательна также попытка прямого преобразования энергии деления в свет. Этого можно достигнуть путем использования энергии продуктов деления для прямой накачки лазера [22]. Первые опыты, в которых осколки деления попадали внутрь газовой оптически активной среды со стенок сосуда, покрытых урансодержащим материалом, дали обнадеживающие результаты [23]. Интенсификация такой накачки лазера требует перехода от поверхностных источников осколков деления к объемным.
Для этого в оптически активную среду вводят газообразные соединения урана. Поддержание состава такой среды на постоянном уровне требует непрерывного выведения из нее накапливающихся продуктов деления. Этот процесс может быть организован только в газофазном ядерной реакторе физико- химической концепции.
Спектр возможных применений реакторов физико-химической концепции чрезвычайно широк. Мы ограничились только несколькими примерами, чтобы не слишком выходить за рамки вопросов, рассматриваемых в этой книге.
