Реакторы расплавленной соли (MSR) все чаще признаются одной из самых перспективных передовых ядерных технологий, предлагая принципиально иной подход к энергии деления. Используя жидкое топливо вместо сборок твердого топлива, MSR могут работать при более высоких температурах, более низких давлениях и с непрерывной обработкой топлива - функции, которые коллективно повышают безопасность, эффективность и управление отходами. В этой статье исследуется, как работают MSR, их ключевые преимущества, текущее состояние развития во всем мире и проблемы, которые остаются до того, как они могут быть развернуты в масштабе.

Что такое расплавленные солевые реакторы?

Реактор расплавленной соли - это тип ядерного реактора деления, где первичная охлаждающая жидкость, а часто и само топливо, представляет собой смесь расплавленного фторида или хлоридных солей. В отличие от твердотопливных стержней, используемых в обычных реакторах на легкой воде (LWR), MSRs растворяют расщепляющийся материал непосредственно в соли, которая циркулирует через ядро реактора и теплообменники. Конструкция была впервые исследована в 1950-х и 1960-х годах в Национальной лаборатории Ок-Риджа (ORNL) в Соединенных Штатах, где эксперимент с расплавленным солевым реактором (MSRE) успешно работал с 1965 по 1969 год. MSRE продемонстрировала жизнеспособность жидкого топлива и онлайн-переработки, генерируя более 9000 часов работы в течение 4 лет.

Существует два основных семейства MSR: термоспектральная графит-модерированная конструкция (как MSRE и многие современные концепции) и конструкция быстрого спектра без модератора. Оба варианта разделяют основную концепцию использования жидкой соли в качестве носителя топлива и охлаждающей жидкости. Топливная соль обычно представляет собой эвтектическую смесь лития, бериллия и циркониевых фторидов или хлоридов, с ураном, плутонием или торием, растворенным в качестве топлива. Высокая температура кипения расплавленных солей (выше 1400°C для большинства фторидных солей) позволяет реактору работать при атмосферном давлении, устраняя необходимость в дорогих сосудах с толстой стенкой и снижая риск аварии с потерей охлаждающей жидкости.

Как работают расплавленные соляные реакторы

В типичном тепловом МСР соля топлива течет по каналам в графитовом модераторном ядре, где происходит деление. Графит замедляет нейтроны до тепловых энергий, поддерживая цепную реакцию. Затем нагреваемая соль (обычно около 650-700°C) выходит из ядра и передает свое тепло во вторичный солевой цикл через теплообменник. Вторичная солевая петля затем передает тепло в рабочую жидкость - часто пар или сверхкритический углекислый газ - для привода турбины для выработки электроэнергии. Одной из ключевых эксплуатационных особенностей является непрерывная обработка топлива. : боковой поток топливной соли непрерывно извлекается, очищается путем удаления продуктов деления и добавления свежего топлива и возвращается в ядро. Это позволяет реактору сжигать гораздо большую часть своего топлива, чем LWRs, уменьшает накопление нейтронных ядов и позволяет использовать торий в качестве плодородного материала.

Первичный цикл работает при почти атмосферном давлении, потому что высокая точка кипения соли предотвращает ее кипение даже при высоких температурах. Замораживание - участок соли, который поддерживается твердым путем охлаждения - действует как пассивное устройство безопасности: если реактор теряет мощность, пробка плавится, и соль стекает в субкритические резервуары для сброса, автоматически выключая реакцию. Эта неотъемлемая функция безопасности является основным пунктом продажи MSR.

Основные преимущества расплавленных соляных реакторов

Повышение безопасности

Наиболее цитируемым преимуществом МСР является присущая им безопасность. Расплавленная фторидная топливная соль обладает сильным отрицательным температурным коэффициентом реактивности: по мере нагревания соли снижается ее плотность, что уменьшает количество делений и естественным образом снижает мощность реактора. Отсутствие высокого давления исключает возможность крупномасштабного высвобождения, вызванного аварией под давлением. В случае выхода из строя насоса или потери мощности, замораживание пробки плавится, сливая топливо в пассивно охлаждаемые баки-свалки, где геометрия предотвращает критичность. Это фундаментальное преимущество безопасности перед LWR, которые требуют активных систем охлаждения для предотвращения расплавления даже после отключения.

Высокая эффективность и более высокие температуры

МСР работают при температурах от 600°C до 800°C, по сравнению с примерно 3000°C для ЛВР. Эта более высокая температура повышает термодинамическую эффективность энергетического цикла, позволяя МСР достигать тепловой эффективности 40-50% против 33-37% для ЛВР. Высококачественное тепло также позволяет применять когенерацию, такую как производство водорода (через высокотемпературный электролиз или термохимические циклы), опреснение морской воды и промышленное технологическое тепло для нефтеперерабатывающих заводов, химических заводов и сталеплавильного производства. Некоторые конструкции МСР с использованием сверхкритических циклов CO2 Brayton могут дополнительно повысить эффективность и уменьшить площадь завода.

Уменьшение долгоживущих ядерных отходов

МСР могут значительно сократить объем и токсичность высокоактивных отходов. Поскольку продукты деления могут непрерывно удаляться, реактор может «сжигать» гораздо более высокий процент своего топлива - более 95% в некоторых конструкциях быстрого спектра - по сравнению с примерно 3-5% в LWR. Это означает меньше оставшегося материала в целом, и то, что остается, в первую очередь, недолговечными продуктами деления, которые распадаются до безопасных уровней в сотни лет, а не сотни тысяч. Кроме того, МСР могут потреблять существующий плутоний и незначительные актиниды из отработанного топлива LWR, тем самым закрывая топливный цикл. Использование топливного цикла тория еще больше уменьшает отходы, потому что торий-232 размножает расщепляющийся уран-233, а трансурановые элементы (плутоний, америций, кюриум), которые доминируют в отходах LWR, производятся в незначительных количествах.

Гибкость и устойчивость топлива

МСР не ограничиваются урановым топливом. Они могут работать на оружейном плутонии, переработанном отработанном топливе LWR или тории, который значительно более обилен, чем уран. Торий в три-четыре раза больше в земной коре, чем уран, и встречается в таких странах, как Индия, Австралия, Бразилия и США. МСР может быть спроектирован как «размножитель» с использованием тория, производящий больше расщепляющегося урана-233, чем он потребляет, предлагая таким образом почти неисчерпаемое топливо с минимальными отходами. Возможность использования ядерных отходов в качестве топлива также снижает потребность в урановой добыче и инфраструктуре обогащения.

Сопротивление распространению

По сравнению с традиционными топливными циклами МСР обладают определенными свойствами устойчивости к распространению. Онлайновая обработка топлива включает в себя обработку жидкой соли, которую труднее отвлечь в программу вооружения, чем сборки твердого топлива. Уран-233, производимый в цикле тория, загрязнен уран-232, сильным гамма-излучателем, что делает обработку и обработку чрезвычайно опасными, что увеличивает сложность вепонизации. Кроме того, МСР могут быть разработаны для работы без дозаправки на месте в течение многих лет, снижая транспортировку топлива и связанные с этим риски распространения.

Топливный цикл тория в МСР

Топливный цикл тория особенно хорошо подходит для МСР, поскольку жидкое топливо позволяет непрерывно удалять протактиний-233, который распадается на уран-233 с периодом полураспада 27 дней. В твердотопливном реакторе протактиний-233 оставался бы в топливе и мог бы захватывать нейтрон, производя протактиний-234, который распадается на нежелательный U-234. Выделяя протактиний-233 из жидкой соли до ее распада, МСР может достигать высоких коэффициентов размножения. Полученный в результате уран-233 затем повторно вводится в ядро в качестве топлива, поддерживая реакцию с минимальным добавлением нового тория. Отходы из ториевого МСР состоят в основном из продуктов деления с относительно коротким периодом полураспада; через 300 лет его радиотоксичность падает ниже, чем у исходной ториевой руды.

В то время как ранние эксперименты, такие как MSRE, использовали уран-235, в настоящее время основное внимание в Китае, Индии и нескольких частных компаниях уделяется циклу тория-233. Проект TMSR-LF (жидкое топливо) в Шанхае разрабатывает термический ториевый MSR мощностью 10 МВт, с испытательным реактором, ожидаемым к 2030 году. Индия с ее значительными запасами тория имеет долгосрочный план развития трехступенчатой ядерной энергетики, кульминацией которого являются ториевые MSR.

Текущие разработки и ключевые проекты

В настоящее время разработка МСР является глобальной задачей. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) отслеживает более 100 проектов, связанных с МСР, во всем мире, от ранних концептуальных исследований до коммерческих демонстрационных установок. Известные примеры включают:

  • Китай: Китайская академия наук (CAS) управляет программой TMSR, фокусируясь как на жидком топливе (TMSR-LF), так и на твердотопливных (TMSR-SF) конструкциях. Был построен испытательный цикл мощностью 2 МВт, и правительство планирует ввести в эксплуатацию пилотный реактор мощностью 10 МВт к ~2030 году. Китай стремится использовать MSR как для электричества, так и для технологического тепла, используя запасы тория.
  • Соединенные Штаты: Несколько компаний имеют значительные программы. Kairos Power разрабатывает высокотемпературный реактор с фторидным солевым охлаждением , который использует твердое галечное топливо, но расплавленную солевую охлаждающую жидкость. В 2023 году Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) одобрила разрешение на строительство испытательного реактора Hermes компании Kairos в Ок-Ридже, штат Теннесси. Наземная энергия (на основе Канады, но с лицензированием США) разрабатывает интегрированный реактор с расплавленной солью (IMSR), проект мощностью 195 МВт с модульным 7-летним сроком службы ядра. Moltex Energy (Великобритания/Канада) предлагает стабильный солевой реактор (SSR), который использует стати
  • Канада: IMSR компании Terrestrial Energy является самой передовой концепцией MSR в Канаде, и CNSC завершила 1-ю фазу обзора дизайна поставщиков. Moltex Energy также проводит лицензирование в Нью-Брансуике. Правительство Канады активно поддерживает разработку SMR, включая MSR.
  • Дания:Seaborg Technologies разрабатывает компактный реактор на расплавленной соли (CMSR) на основе плавучих баржовых установок.Copenhagen Atomics разрабатывает сверхмодерируемый водой MSR с уникальным малым сердечником.
  • Великобритания: Moltex Energy разработала концепцию SSR; программа исследований и разработок Advanced Modular Reactor (AMR) правительства Великобритании включает поддержку MSR.
  • Япония, Россия и Франция: Японский проект FUJI MSR остается исследовательским сотрудничеством. В России есть исследовательский реактор на расплавленной соли (ZhRC) и исследуется МСР для сжигания плутония. Французская CNRS исследует концепции МСР для незначительной трансмутации актинида.

Дополнительную информацию можно найти на странице MSR Всемирной ядерной ассоциации , обзоре MSR МАГАТЭ и на сайтах, посвященных конкретным проектам, таких как Энергия Земли .

Проблемы, связанные с развертыванием МСР

Коррозия материалов

Сочетание высокой температуры, радиации и химически агрессивной расплавленной соли предъявляет крайние требования к материалам реактора. Hastelloy N, никель-сплав на основе суперсплава, разработанный в ORNL для MSRE, показал адекватную коррозионную стойкость для фторидных солей до 700°C, но для конструкций более быстрого спектра с использованием хлоридных солей деградация материалов остается важной областью исследований. Хлоридные соли более коррозионны, чем фториды, требующие передовых сплавов или керамических покрытий. углеродные композиты и карбид кремния (SiC) изучаются для структурных компонентов, но их изготовление и методы соединения нуждаются в дальнейшей разработке. Долгосрочное поведение облучения материалов-кандидатов также должно быть проверено.

Химия соли и управление продуктами деления

Для предотвращения коррозии СМП требуют чрезвычайно чистой соли с минимальными кислородными, водными и серными примесями. Радиолиз соли может производить свободный фтор, которым необходимо управлять. На поверхности могут выплескиваться продукты деления, такие как цезий, йод и благородные металлы, что приводит к радиоактивным отложениям, которые усложняют обслуживание и обращение с отходами. Система онлайн-переработки должна отфильтровать твердые продукты деления и управлять производством трития. Тритий, радиоактивный изотоп водорода, диффундирует через металлы при высоких температурах и может представлять опасность загрязнения; конструкции должны включать барьеры захвата или проникновения трития.

Регулятивные вызовы

Регуляторы (такие как NRC в США, CNSC в Канаде и ONR в Великобритании) имеют многолетний опыт работы с LWR, но ограниченное знакомство с реакторами на жидком топливе. NRC еще не завершил общую нормативную базу для MSR, хотя он инициировал обсуждения. Ключевые нормативные вопросы включают определение терминов источника аварии, демонстрацию адекватности сдерживания для жидкого топлива и обеспечение того, чтобы уникальный топливный цикл (онлайн-переработка) не представлял риска распространения или безопасности. В Канаде Terrestrial Energy провела предварительный обзор лицензирования, и CNSC выпустил резюме Обзора дизайна поставщика в 2023 году, заявив, что дизайн IMSR приемлем в принципе до получения дополнительной информации. Сроки полного лицензирования неопределенны.

Экономическая и коммерческая жизнеспособность

МСР по-прежнему являются докоммерческими, без демонстрируемых затрат на строительство и эксплуатацию. Первоклассные (FOAK) затраты, как правило, высоки из-за специализированных материалов, новых цепочек поставок и длительного лицензирования. Выровненная стоимость электроэнергии (LCOE) от МСР неизвестна и будет зависеть от достижения экономии производства, особенно для небольших модульных конструкций. Однако сторонники утверждают, что МСР могут быть дешевле, чем LWR в долгосрочной перспективе из-за более простых систем безопасности, более высокой тепловой эффективности, гибкости топлива и потенциала когенерации. Модульные конструкции (такие как IMSR 195 МВт) могут сократить время строительства и риск капитала. Общественное признание и инвестиционное доверие также должны быть получены посредством успешных демонстраций.

Доступность топлива и цепочка поставок

Для высокообогащенного низкообогащенного урана (HALEU) или ториевого топлива существующие цепочки поставок ограничены. Торий в настоящее время не добывается в качестве основного продукта; он является побочным продуктом редкоземельной добычи. Однако торий в изобилии и может быть переработан для использования в МСР, когда спрос оправдывает инвестиции. Сама топливная соль должна быть произведена в жестких спецификациях, требующих новых мощностей для синтеза, очистки и транспортировки соли. Онлайн-переработка также требует специализированных горячих ячеек и оборудования, что увеличивает капитальные затраты.

Будущее и интеграция с чистой энергией

Ожидается, что MSR не заменят существующие LWR в одночасье, но они могут дополнить их в ближайшие десятилетия. Их способность работать при высоких температурах делает их идеальными партнерами для промышленной декарбонизации, особенно в секторах, требующих технологического тепла выше 500 ° C, таких как производство аммиака, нефтехимическая рафинация и производство стали. То же самое тепло может быть использовано для производства зеленого водорода [FLT: 0]] с помощью высокотемпературного электролиза (SOEC), который более эффективен, чем низкотемпературный электролиз. MSR также могут использоваться для централизованного отопления, опреснения и в качестве резервного для прерывистых возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, обеспечивая диспетчерскую базовую нагрузку.

Несколько национальных дорожных карт проецируют первые коммерческие демонстрации МСР в конце 2020-х - начале 2030-х годов. Министерство энергетики США профинансировало проект MCFR, направленный на демонстрацию около 2030 года. В Китае программа ТМСР нацелена на реактор мощностью 10 МВт к 2030 году и коммерческую установку мощностью 100 МВт к 2035 году. Terrestrial Energy надеется развернуть свою первую ММСР на канадской промышленной площадке к концу 2020-х годов при условии лицензирования. Сроки остаются амбициозными, но достижимыми, если будут решены нормативные препятствия и исследования материалов дадут коммерческие решения.

Интеграция МСР с сетями возобновляемой энергии является многообещающей. Поскольку МСР могут наращивать или уменьшать более гибко, чем традиционные большие ЛВР (хотя и не так быстро, как газовые турбины), они могут обеспечивать способность к нагрузке. Некоторые конструкции реакторов, такие как быстродействующий реактор с расплавленным хлоридом, особенно поддаются нагрузке из-за высокой теплоемкости соли и способности регулировать концентрацию топлива. Это делает МСР потенциальным основой для низкоуглеродной сети, в которой преобладают солнечная и ветровая генерация.

В долгосрочной перспективе ториевые МСР могут обеспечить многовековую чистую энергию с минимальными отходами, что делает их важной частью устойчивого энергетического баланса. Задача состоит в том, чтобы перейти от успешных экспериментов к надежной, экономически конкурентоспособной отрасли. С ростом глобального интереса и значительными частными и государственными инвестициями следующее десятилетие будет решающим для технологии МСР, поскольку она пытается доказать свою эффективность в масштабе.

Заключение

Реакторы расплавленной соли представляют собой фундаментальный сдвиг в конструкции ядерных реакторов, с потенциалом для преодоления многих из безопасности, отходов и экономических ограничений традиционных легководных реакторов. Их неотъемлемые характеристики безопасности, топливная эффективность, высокие рабочие температуры и возможности сокращения отходов позиционируют их как преобразующую технологию для производства чистой энергии и промышленного применения тепла. В то время как значительные проблемы остаются в материаловедении, утверждении регулирующих органов и экономической демонстрации, ускоряющиеся темпы развития в нескольких странах предполагают, что МСР могут стать значительной частью глобального энергетического ландшафта в течение следующих двадцати лет. Поскольку мир преследует глубокую декарбонизацию, передовые реакторы, такие как МСР, предлагают путь вперед, который является инновационным и основанным на десятилетиях исследований.