§ 4. ВЫБОР ТОПЛИВНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ЖСР
Для того чтобы был понятен выбор солевых топливных композиций для ЖСР, попробуем по возможности в общем виде сформулировать требования к этим композициям. Решающим обстоятельством здесь является обеспечение возможности создания экономичного энергетического ЖСР. Для этого изотопы, входящие в топливные композиции, должны иметь малые сечения захвата нейтронов. Можно показать, что расширенное воспроизводство горючего в уран-ториевом реакторе на тепловых нейтронах достигается, если основу топливной композиции составляют первые восемь изотопов, приведенных в табл. 1. Остальные изотопы можно применять только как малые добавки, придающие топливной композиции те или иные необходимые физико-химические свойства.
Температура плавления топливных композиций должна быть по возможности низкой: до 500—600° С для обычных и до 700—800° С для высокотемпературных реакторов. Расплавы должны обладать вязкостью, теплопроводностью и теплоемкостью, позволяющими использовать их в качестве эффективного теплоносителя. По этой причине из рассмотрения нужно исключить оксиды, карбиды и нитриды делящихся изотопов, а также их смеси с другими соединениями, так как они обладают очень высокими температурами плавления.
Таблица 2
Физические свойства фтористых солей
Рис. 2. Зависимость давления насыщенных паров р эвтектического сплава молярного состава 53% BeF2—47% LiF от температуры
Состав и физические свойства некоторых композиций фтористых солей, имеющих температуру плавления около 500° С, приведены в табл. 2. Видно, что эти соли обладают удовлетворительными значениями теплопроводности, теплоемкости и вязкости при рабочей температуре около 700° С. Более высокая, чем у воды, вязкость соли компенсируется более высокой теплопроводностью, поэтому между этими солями и водой как теплоносителями нет существенного различия.
Для эффективной работы ЖСР необходимо, чтобы топливная композиция обладала высокой термической и радиационной стойкостью и имела малое давление насыщенных паров в области температур до 1000°С. Эти требования исключают использование азотно- и азотистокислых солей. С этой точки зрения предпочтение следует отдать хлоридам и фторидам, для которых давление насыщенных паров не превышает 1 мм рт. ст. при температуре до 800°С (рис. 2).
Чтобы в ЖСР осуществлялась эффективная конверсия топлива, необходимо иметь достаточно высокую концентрацию 238U или Th в солевом расплаве (до молярной концентрации 10—20%). Условие это довольно жесткое, так как повышение концентрации тяжелых изотопов приводит к увеличению температуры плавления солевой композиции. Для фторидов эти требования могут быть обеспечены. Например, в системе LiF—UF4 температура плавления не превышает 490°С при молярной концентрация UF4 27% (!). В тройных системах LiF—BeF2—ThF4 также существует область концентраций ThF4, превышающих 10%, которой соответствует температура плавления до 500°С (см. рис. 3 и 4).
Некоторые осколки деления ядер урана или плутония образуют химические 'соединения, растворимые в топливной композиции. Определенный уровень таких растворенных примесей не должен приводить к существенному изменению физико-химических свойств топливной смеси. Особенно остро этот вопрос стоит для ЖСР с неполной переработкой топлива, в которых концентрация шлаков в топливной композиции может достигать заметного уровня.
Рис. 3. Диаграмма плавкости системы LiF—ThF4—UF4 (Г,°C) [25]
Рис. 4. Диаграмма плавкости системы LiF—BeF2—ThF4 (T,оC) [25]
На основе реакторных исследований на сегодняшний день можно утверждать, что полная молярная концентрация продуктов деления около 1—2% не оказывает существенного влияния на физико-химические свойства расплавов фторидов Li, Be и U [26].
Топливные композиции должны обладать малой коррозионной активностью к конструкционным материалам и допускать применение простого и гибкого метода переработки топлива и выведения основных продуктов деления.
Совокупность всех требований и уровень современных исследований позволяют сделать вывод, что для ЖСР на тепловых нейтронах наиболее подходящими топливными композициями являются смеси фторидов 7Li, Be, U, Th, Pu и, может быть, Na и Zr. Для ЖСР на быстрых нейтронах предпочтительными могут оказаться хлориды U и Pu.
