§ 8. ПРОБЛЕМЫ ТРИТИЯ
Тритий является одним из опасных радиоактивных изотопов, так как при проникновении в живые организмы он легко замещает водород в молекулах органических соединений. Поэтому удержание трития и сведение к минимуму его утечек — очень важная задача.
Образование Т происходит в любых реакторах деления при тройных делениях ядер. Более интенсивная его наработка происходит в тяжеловодных реакторах при захвате нейтронов ядрами D. В жидкосолевых реакторах Т возникает главным образом при взаимодействии нейтронов с Li, являющимся составной частью топливной соли ЖСР. Как видно из табл. 6,. скорость наработки трития в ЖСР даже при использовании Li, обогащенного до 99,999% по 7Li, в 50 раз больше соответствующей скорости наработки в большинстве твердотопливных реакторов, уступая в этом отношении только тяжеловодным реакторам.
Таблица 6
Скорость наработки трития в различных реакторах
Ниже приведены основные реакции образования Т в реакторе типа MSBR (в скобках указано количество нарабатываемого трития, Ки/сут):
Тритиевая проблема в ЖСР осложнена тем, что эти реакторы работают при высоких температурах, и поэтому Т легко диффундирует через металлические стенки системы топливного и промежуточного контуров, попадая в парогенератор. Если не принимать специальных мер, то такая диффу зия может привести к значительным выбросам Т в окружающую среду. Так, в проекте MSBR (ом. гл. 4), в котором не было предусмотрено специальных мер для удержания Т, около трети всего нарабатываемого в реакторе его количества попадает в систему охлаждения воды, где концентрация Т может достигнуть 0,26 мКм/л (43]. Это значение в 50 раз превосходит загрязнение воды тритием в лепководных реакторах. Поэтому для обеспечения безопасности ЖСР необходимо решить проблему уменьшения поступления Т в паровой контур, по крайней мере на два порядка по сравнению со скоростью его поступления, предусмотренной в проекте MSBR. Для решения этой задачи можно предложить целый комплекс мер, позволяющих уменьшить выброс трития. Рассмотрению некоторых из них и посвящен настоящий параграф.
Прежде всего заметим, что любые попытки предотвращения распространения трития, который уже попал в паровой контур, практически бесперспективны. Поэтому основные усилия необходимо направить на удержание трития в самом
топливном контуре. Проследим путь, по которому Т может попасть в паровой контур. Тритий, образующийся в результате ядерных реакций, после термализации в топливной соли вступает в химические реакции:
Образовавшиеся молекулы Т2 и TF диффундируют к поверхностям раздела соль — металл, соль—графит и соль — гелий. He находится в топливной соли в виде пазовых пузырьков, в которые и попадают эти молекулы.
Т, попавший в пузырьки He, выводится из топливной соли в системе отвода газов, описанной в следующем параграфе. Равновесное парциальное давление Т2 и TF в газе может быть определено согласно закону Генри:
Тритий, попавший в промежуточный контур, частично выводится системой отвода газов из соли-теплоносителя, организованной подобно системе отвода газов из топливной соли, а частично проникает через стенки парогенератора в паровой контур. Распределение трития в различных системах реактора MSBR приведено в первой строке табл. 7.
Таблица 7
Распределение трития в реакторе MSBR
* Все относительные единицы нормированы на соответствующие значения, принятые в проекте MSBR (см. гл. 4).
**На такое значение уменьшена проницаемость всех металлических конструкций, за исключением теплообменника первого контура.
Анализ путей и форм распространения Т в системе позволяет выделить основные способы решения проблемы выведения трития. Один из таких способов — сдвиг равновесия реакций (5)—(7). Этот сдвиг может быть достигнут уменьшением соотношения между числом ионов U+8 и U+4 в топливной соли (см. 2-ю строку табл. 7). Правда, большое снижение этого отношения нежелательно из-за увеличения окислительного потенциала соли и, как следствие этого, возрастания ее коррозионной активности. Дальнейший сдвиг равновесия химических реакций в сторону образования молекулярных соединений Т может быть достигнут введением в топливную соль водорода. При увеличении концентрации Н2 в соли определяющую роль начинает играть реакция изотопного обмена
(9) в результате которой атомы трития связываются в молекулы. Оценки показывают, что для уменьшения скорости проникания трития в паровой контур на два порядка требуется обеспечить скорость поступления Н2 в соль в 10+8 раз большую, чем скорость образования Т [43]. Это означает, что за год работы реактора тепловой мощностью 2250 МВт в системе очистки газов будет накапливаться 20 000 т тритированной воды. Очевидно, что при этом возникает сложная проблема организации хранения такого большого количества радиоактивной воды. Поэтому этот способ уменьшения поступления Т в паровой контур, по-видимому, целесообразно использовать лишь в сочетании с другими способами, так чтобы количество Н2, поступающего в соль, снизить по крайней мере на три порядка величины.
Связывание Т в молекулярные соединения может быть осуществлено и в контуре соли-теплоносителя. Например, в NaBF4 можно добавлять HF, который, взаимодействуя с Т, приводит к образованию молекулы TF. При скорости поступления HF в соль-теплоноситель, в 50 раз превышающей скорость генерации Т, поступление последнего в парогенератор уменьшится в 100 раз. Правда, в этом случае возрастает скорость коррозии металла.
Тритий может связываться в молекулы также в результате изотопного обмена с гидроксильными соединениями, растворенными в NaBF4 [48]. Здесь можно ожидать обнадеживающих результатов при использовании реакции
(10) с последующим выводом NaBF3OT в системе очистки соли- теплоносителя.
Увеличение скорости выведения трития в систему отвода газов первого и второго контуров может быть достигнуто и простым увеличением производительности этой системы. При этом увеличивать объемную долю пузырьков He в топливной соли, по-видимому, нецелесообразно, поскольку может произойти заметное возмущение динамики поведения потока нейтронов в активной эоне. Вместо этого достаточно увеличить расход соли через байпасный контур с одновременным увеличением скорости барботажа He и скорости его сепарации (табл. 7).
Рис. 16. Проницаемость по дейтерию сплава инкаллой-800. Толщина пластинки 1,34 мм, температура 650° С (Pd— давление дейтерия):
1 — без оксидной пленки; 2 — с оксидной пленкой
Одним из возможных методов решения проблемы трития является попытка уменьшить его проницаемость через стенки трубопроводов. Наименьшей проницаем остью по водороду обладает W (см. рис. 15). Покрытие из вольфрама толщиной 0,1 мм всех коммуникаций топливного и промежуточного контура приведет к уменьшению поступления Т в паровой контур на два порядка, т. е. в принципе решит проблему удержания трития. Однако такое покрытие может отслаиваться из-за различных температурный коэффициентов расширения. Кроме того, покрытие всех поверхностей контуров может оказаться очень дорогим мероприятием.
Уменьшение проницаемости Т через металлические стенки может быть также достигнуто путем образования на поверхностях металла оксидных пленок (рис. 16) [49]. Такие пленки будут, вероятно, образовываться на трубах парогенератора, находящихся в контакте с паром.
Все рассмотренные способы уменьшения утечки Т не связаны со сколько-нибудь радикальной переделкой схемы MSBR. Рассмотрим и другие возможности решения тритиевой проблемы. Например, замена парового контура на контур диссоциирующего газа Ν2Ο4, который может выполнять роль рабочего тела турбины, практически решает проблему утечки трития. Тритий, попадая в контур с Ν2Ο4,будет взаимодействовать с ним, образовывая молекулы
, которые затем могут выводиться из контура. Другой путь — замена соли-теплоносителя в промежуточном контуре на He, содержащий небольшую примесь ларов воды. Взаимодействуя с водой, Т будет образовывать молекулы ТО.
Однако такие радикальные меры неизбежно приведут к другим технологическим проблемам, что в конечном счете окажется на стоимости АЭС с ЖСР. Поэтому проблему трития в первую очередь целесообразно решать путем комбинации различных способов блокировки утечки Т в паровой контур.
Оценки, приведенные в табл. 7, показывают, что на этом пути можно добиться решения тритиевой проблемы.
