Table of Contents

Реакторы расплавленной соли (MSR) представляют собой преобразующий класс ядерных систем деления, в которых топливо растворяется непосредственно в циркулирующей жидкой солевой смеси. Эта конструкция устраняет необходимость в твердых топливных гранулах и облицовке, упрощает переработку топлива и обеспечивает исключительные характеристики безопасности. Критическим элементом во многих конфигурациях MSR является нейтронный модератор - материал, помещенный внутри или вокруг ядра реактора для замедления высокоэнергетических нейтронов деления до тепловых или эпитермальных скоростей, тем самым увеличивая вероятность поддержания дальнейших делений. Выбор, размещение и долговечность модератора непосредственно влияют на нейтронную экономику реактора, использование топлива, профиль отходов и эксплуатационную безопасность. В то время как концепция нейтронной модерации хорошо установлена в обычных легководных реакторах (LWR), ее применение в горячей, текучей, коррозионной солевой среде вводит отдельный набор проблем и одновременно открывает новые возможности для инноваций. Эта статья обеспечивает технический, но доступный обзор физики, материалов, проблем и будущих направлений ней

Роль и физика нейтронной умеренности в МСР

В любом ядерном реакторе подавляющее большинство энергии высвобождается через деление тяжелых изотопов, таких как уран-235 или плутоний-239. Нейтроны, высвобождаемые при делении, имеют среднюю энергию примерно 2 МэВ (быстрые нейтроны). Чтобы эффективно захватываться расщепляющимися ядрами, эти нейтроны должны быть замедлены до тепловых энергий (около 0,025 эВ при комнатной температуре) или, в некоторых конструкциях, до эпитермальных энергий. Модератор достигает этого путем упругих столкновений со светлыми атомными ядрами - чем легче ядро, тем больше энергии передается при столкновении. Поскольку сам модератор должен иметь низкое поперечное сечение поглощения нейтронов, классическими вариантами являются водород (в воде), дейтерий (в тяжелой воде), углерод (в графите) и бериллий (в металлической или оксидной форме).

Тепло-спектральная MSRs против Fast-Spectrum MSRs

MSR могут быть разработаны для работы в тепловом или быстром нейтронном спектре. MSRs теплового спектра - такие как историческая Национальная лаборатория расплавленного солевого реактора (ORNL) и современные цели таких компаний, как Энергия расплава на Земле (Molten Salt Reactor Experiment (MSRE)) - требуют модератора для замедления нейтронов. MSRs быстрого спектра, напротив, избегают любого преднамеренного модератора и полагаются на более жесткий нейтронный спектр для потребления трансурановых отходов или топлива. Подход термического спектра обычно предлагает меньший инвентарь деления, более простую обработку топлива и возможность использовать модератор непосредственно в высокотемпературном, высокорадиоактивном контуре соли, подвергая его серьезным химическим и радиационным стрессам. Проекты быстрого спектра устраняют проблемы, связанные с модератором, но требуют более высокого обогащения расщепляющегося материала и более сложных геометрий ядра. компромиссы между этими двумя семействами MSRs в значительной степени зависят от осуществимости и производительности выбран

Ключевые модераторы для MSR

Было рассмотрено несколько материалов, а в некоторых случаях испытано, для модерации нейтронов в среде с расплавленной солью. Каждый кандидат обладает уникальной комбинацией ядерных, тепловых, химических и механических свойств.

графит

Графит является безусловно наиболее изученным модератором для МСР теплового спектра. Это кристаллическая форма углерода с низким поглощением нейтронов (термическое поглощение поперечного сечения ~0,003 амбаров), высокой модерирующей способностью и отличной теплопроводностью. Графит может выдерживать температуры свыше 1000 °C в инертных или восстановительных условиях, что делает его совместимым с петлями горячего фтора или хлоридной соли. В MSRE блоки модератора графита успешно использовались в течение нескольких лет. Однако графит разлагается при длительном облучении нейтронами: он набухает, теряет теплопроводность и становится пористым. Кроме того, расплавленная соль может проникать в микротрещины, а продукты деления, такие как ксенон, могут быть захвачены в порах, изменяя нейтронику реактора. Современные исследования сосредоточены на разработке изотропных, мелкозернистых графитов (например, IG-110, NBG-18) и на применении защитных покрытий (карбид кремния, пиролитический углерод

бериллий

Бериллий (Be) и его оксид (BeO) являются мощными модераторами из-за очень низкой атомной массы бериллия и поперечного сечения с низким поглощением нейтронов (~ 0,007 амбаров для BeO, 0,009 амбаров для BeO). BeO имеет высокую температуру плавления (2530 °C) и разумную теплопроводность. Он рассматривается как модератор для высокотемпературных реакторов и для концепции реактора-размножителя расплава (MSBR), разработанной в ORNL. Основными недостатками являются высокая стоимость бериллия, его токсичность (особенно при обработке в виде пыли или порошка) и его восприимчивость к радиационному набуханию и производству гелия через (n,α) реакции. В среде расплавленной соли металл бериллия также может корродировать, если химия соли не тщательно контролируется. Тем не менее, BeO все еще оценивается в передовых композитных формах, таких как графиты BeO-матрицы или в качестве компонента в церметах, чтобы использовать его модериру

Легкая и тяжелая вода

Хотя вода является общим модератором в LWR, ее использование в MSR ограничено высокой рабочей температурой соли (обычно 500 - 700 ° C). Под давлением воды потребуются тяжелые обнесенные стеной сосуды и вводится риск паро-солевых химических реакций (гидролиз). Ни одна коммерческая конструкция MSR в настоящее время не полагается на воду в качестве основного модератора, но некоторые исследовательские концепции исследуют идею отдельной, изолированной области с водной умеренностью - по существу, гетерогенная сборка - которая могла бы позволить MSR работать с уменьшенной расщепляющейся нагрузкой. Тяжелая вода (D2O) предлагает еще более низкое поглощение нейтронов и может быть привлекательной, но те же проблемы температуры и совместимости применяются. [[FLT: 0]] МАЭА [[FLT: 1]] опубликовала обзоры технологий MSR, в которых упоминаются конструкции с водяным охлаждением-модератором, но они остаются спекулятивными.

Новые модераторы материалов

Исследователи активно исследуют альтернативные модераторы, которые могли бы преодолеть ограничения графита и бериллия.

  • Гидриды металлов (например, гидрид циркония, ZrH): Они имеют высокую плотность водорода и отличную эффективность модерирования, но они подвержены потере водорода при температурах выше 500 °C и могут подвергаться химическому воздействию солей фтора.
  • Yttria-стабилизированная циркония (YSZ) : керамика с хорошей химической стабильностью и низким поглощением нейтронов, хотя ее модерирующая способность намного слабее, чем у графита или бериллия. YSZ может использоваться в качестве отражателя быстрого спектра или в гибридных конструкциях.
  • Композиты на основе бора-карбида: В то время как бор сильно поглощает нейтроны, такие материалы, как B4C, могут использоваться в качестве сгорающих ядов или в качестве элемента управления, а не в качестве постоянного модератора.

Основные вызовы для нейтронных модераторов в МСР

Единственная наиболее определяющая проблема для модераторов СМП - это враждебная среда, в которой они должны функционировать: высокотемпературная, радиационно-бомбардировочная, протекающая расплавленная соль, которая химически агрессивна. Ниже мы подробно исследуем основные технические проблемы.

Совместимость с расплавленными солями

Многие модерирующие материалы, которые хорошо работают в твердотопливных реакторах (например, графит при высокой температуре), уязвимы для атаки фторидными или хлоридными солями. Графит, например, может быть интеркалирован ионами фтора, если соль не поддерживается достаточно уменьшающейся. Это интеркалирование может вызвать отшелушивание, потерю модераторной массы и транспортировку частиц углерода через петлю охлаждающей жидкости, засоряя теплообменники. Бериллий металл будет реагировать с избытком фтора с образованием BeF2, и когда-то чистая соль становится облачной с взвешенными частицами. Для борьбы с этими реакциями химия соли должна жестко контролироваться путем поддержания соответствующего соотношения UF4 к UF3 (или с помощью окислительно-восстановительных буферов, таких как металл бериллия в соли), что добавляет сложность в систему химического контроля. Разрабатываются расширенные покрытия - карбид кремния, пиролитический углерод или огнеупорные металлические слои - для изоляции модератора от прямого контакта с солью, но

Радиационный ущерб и изменения размеров

Быстрые нейтроны и гамма-лучи бомбардируют модераторы, вытесняя атомы из их решетчатых участков. В графите это вызывает анизотропную отек (эффект Вигнера), который может растрескивать модераторы блоков и искажать геометрию ядра. При высоких флюенсах графит достигает точки «обратного поворота», где отек обращается, приводя к усадке и дальнейшему напряжению. Для бериллия нейтронное облучение производит газ гелия через (n,α) реакции, вызывая образование пузырьков и вздутие. Размерная стабильность модератора напрямую влияет на реакционную способность реактора — если модератор расширяется, нейтрон-модерирующее отношение изменяется, потенциально вызывая колебания мощности. Обширные экспериментальные данные из ORNL MSRE и из материалов тест-реакторов (например, ] ORNL программа реактора с расплавленной солью ) обеспечивают базовое поведение, но перевод этой производительности в полномасштабный, долгоживущий коммерческий реактор

Термический и механический стресс

МСР работают при температурах 500 - 700 °C. Модераторные блоки или галька испытывают температурные градиенты, поскольку внутри них генерируется тепло (от гамма-нагрева и, в незначительной степени, от замедления нейтронов). Это тепловое напряжение в сочетании с ползучим и отеком, вызванным облучением, может привести к растрескиванию. Если модератор расположен в виде фиксированных графитовых блоков в ядре, блоки могут смещаться или ломаться, изменяя пути потока охлаждающей жидкости и создавая горячие точки. В конструкции МСР с галькой-кроватью (где модератор заключен в топливную гальку), галька должна выдерживать тысячи циклов циркуляции через горячую соль без чрезмерного износа. Разработка надежных, предсказуемых механических моделей для модераторов материалов в условиях МСР является активной областью исследований со многими открытыми вопросами.

Нейтронная экономика и паразитарная абсорбция

Каждый материал модератора поглощает некоторые нейтроны — несколько сотых доли сарая для графита и бериллия, но гораздо выше для водородсодержащих материалов. Даже эти небольшие потери могут значительно повлиять на нейтронную экономию MSR теплового спектра, который уже страдает от меньшей избыточной реактивности, чем типичный LWR, потому что топливо растворяется и непрерывно циркулирует. Если модератор поглощает слишком много нейтронов, реактор может потребовать более высокого обогащения или страдать от пониженного коэффициента размножения в конструкциях, работающих на тории. Поэтому модератор должен быть расположен и сформирован для максимизации эффективности замедления при минимизации захвата. Передовые методы оптимизации, такие как моделирование переноса нейтронов Монте-Карло, используются для разработки геометрий модератора (например, сотовая связь, стержневое кластер или кольцевые устройства), которые уравновешивают эти конкурирующие цели.

Яды для продуктов деления и «проблема ксенона»

В МСР теплового спектра часть продуктов деления — в первую очередь ксенон-135 — рождается и остается в соли. Ксенон-135 имеет огромное поперечное сечение поглощения нейтронов (2,7 × 106 амбаров для тепловых нейтронов). В МСРЭ циркулирующая соль, переносимая ксеноном из ядра, смягчает его отравляющий эффект. Однако, если модератор пористый (например, графит), ксенон может диффундировать в поры и быть захваченным, резко увеличивая местную концентрацию яда. Это «ксеноновое отравление» может уменьшить реакционную способность и, если реактор отключен, вызвать переход ксенона с пористыми модераторами; проблема уникальна для МСР с пористыми модераторами; непористый модатор или конструкция быстрого спектра полностью избегает его. Исследователи из Moltex Energy решили эту проблему, используя конфигурацию статической соли с отдельной солью охлаждающей жидкости, эффективно удаляя модератор из пути топливной соли

Инновационные возможности и направления исследований

Несмотря на препятствия, потенциальные выгоды от успешного MSR термического спектра (включая эффективное разведение тория, сокращение отходов и присущую ему безопасность) продолжают стимулировать творческие решения.

Продвинутые графитовые композиты и покрытия

Графит остается наиболее практичным краткосрочным модератором, поэтому много усилий сосредоточено на улучшении его солевой непроницаемости и радиационной стойкости. Один подход использует слой химического осаждения пара (CVD) карбида кремния (SiC) на поверхности графита, чтобы блокировать проникновение соли. Другой использует пироуглеродные покрытия, аналогичные тем, которые используются в топливных частицах TRISO. Композитные материалы, такие как графит-SiC или графит-циркониевая матрица, тестируются для подавления набухания, вызванного облучением. Цель - модератор, который может оставаться в ядре для срока проектирования реактора (например, 30-60 лет) без замены, что является ключевым экономическим требованием.

Альтернативы бериллия и гибридные материалы

Поскольку бериллий дефицитный и токсичный, исследователи рассматривают смешанные модераторы. Например, «сермет» частиц BeO, диспергированных в матрице никеля или карбида кремния, может уменьшить запасы бериллия, сохраняя при этом некоторые преимущества модератора. Другая идея заключается в использовании самой соли бериллия-фторида (FLiBe) в качестве комбинированного охлаждающего агента и модератора. FLiBe содержит литий-7 (низкий захват нейтронов) и бериллий, придавая ему умеренную модерирующую способность. В однородной MSR FLiBe действует как модератор in-situ, устраняя необходимость в отдельных твердых модераторах. Проблема заключается в том, что эффективность модератора FLiBe ниже, чем у графита, поэтому реактор становится более похожим на «эпитермальную» систему. Тем не менее, для небольших модульных реакторов (SMR) или для реакторов горелок, упрощение может быть полезным.

Жидкие модераторы и дизайны с отдельным потоком

Вместо того, чтобы помещать твердый модератор внутри ядра, некоторые дизайнеры предлагают циркулировать отдельную богатую водородом жидкость через зону модератора. Это может быть расплавленная соль, содержащая растворимые соединения водорода (например, LiH, растворенный в фторидной соли), хотя такие смеси химически агрессивны и имеют очень высокие точки плавления. Альтернативно, отдельный цикл света под давлением или тяжелой воды может проходить через теплообменники, встроенные в ядро. Последний подход сложен, но позволяет заменять модератор и избегать радиационного повреждения фиксированной структуры. Министерство энергетики США профинансировало несколько исследований гетерогенных концепций MSR, которые отделяют модератор от топливной соли, тем самым сочетая безопасность MSR с доказанными модерирующими возможностями воды.

Оптимизация дизайна с помощью цифровых близнецов и ИИ

Современные вычислительные инструменты позволяют проектировщикам реакторов более эффективно, чем когда-либо, исследовать обширное пространство параметров геометрии модератора, размещения и состава материала. Коды Монте-Карло высокой точности в сочетании с конечными элементами термомеханических моделей могут имитировать весь срок службы графитового блока под облучением. Алгоритмы искусственного интеллекта даже используются для поиска оптимальных форм модератора, которые максимизируют нейтронную экономию при минимизации пикового теплового напряжения. Эти цифровые двойные подходы обещают ускорить разработку надежных модераторных конструкций без затрат на физическое прототипирование.

Безопасность и нормативные соображения

Целостность модератора напрямую влияет на безопасность реактора. Если блок модератора трещин или сдвигов, нейтрон-модерирующее отношение может измениться, что потенциально вызовет экскурсию по мощности или локализованное событие критичности. Кроме того, если материал модератора реагирует с солью или с атмосферой (например, окисление графита после потери охлаждающего вещества), он может генерировать легковоспламеняющиеся газы (CO, H2) или коррозионные соединения. Для бериллия дисперсия токсичной пыли, содержащей Be, вызывает беспокойство во время технического обслуживания или в сценариях аварии. Регулирующие органы, включая Комиссию по ядерному регулированию США (NRC) и Канадскую комиссию по ядерной безопасности (CNSC), разрабатывают новые рамки для лицензирования передовых реакторов. Конструкции, которые включают проверенные модераторные материалы с обширными базами данных об облучении (например, графит ядерного класса), вероятно, будут иметь более плавный путь к лицензированию, чем те, которые используют экзотические композиты. МАГАТЭ выпустило руководящие документы, которые включают разделы по целостности графита для реакторов с высоким температур

Будущий прогноз: роль модераторов в современных проектах MSR

В ближайшие несколько десятилетий будут представлены различные демонстраторы MSR и ранние коммерческие установки. Некоторые, такие как концепция реактора с высоким температурным охлаждением с фторидом (FHR), будут использовать твердую графитовую гальку с покрытием как модератор, так и носитель топлива. Другие, такие как конструкции MSR на жидком топливе от Elysium Industries или конструкции на основе тория, продвигаемые Copenhagen Atomics, могут выбрать быстрый спектр, чтобы полностью избежать проблем модератора. Для тех, кто использует модератор, тенденции указывают на (а) улучшенные графитовые и BeO композиты, (b) защитные покрытия, (c) гетерогенные макеты ядра, которые изолируют модератора от наиболее агрессивной соли и излучения, и (d) повышенную зависимость от вычислительной оптимизации для раздвигания границ производительности.

В заключение, нейтронные модераторы являются как давней технической проблемой, так и источником стратегических возможностей для реакторов на расплавленной соли. Хотя они вводят совместимость материалов, радиационный ущерб и проблемы отравления нейтронами, они также позволяют эффективно использовать ториевое топливо, более низкие запасы расщепляющегося материала и потенциал для присущих функций безопасности. Прогресс, достигнутый в материаловедении, особенно в технологиях покрытия и передовой керамике, продолжает сокращать разрыв между осуществимостью и коммерческим развертыванием. При постоянных инвестициях в НИОКР и поддержке международного сотрудничества препятствия могут быть преобразованы в основу нового поколения чистой, безопасной и устойчивой ядерной энергии.