Окриджская национальная лаборатория (ORNL) выпустила в январе 2017 года отчёт с результатами нейтронно-физического анализа проекта ЖСР компании "Transatomic Power Corporation" (TAP).
TAP и MSRE
Компания TAP создана в 2011 году. В компании ведутся разработки проекта жидкосолевого реактора энергетической мощности.
Финансовую поддержку компания получает от венчурных фондов и инвестиционных компаний. В рамках программы GAIN компания сотрудничает с ORNL, где проводятся нейтронно-физические исследования предлагаемой концепции.
Проект ЖСР TAP базируется на решениях, использованных в окриджском жидкосолевом реакторе MSRE. Однако в нём есть два принципиальных новшества.
В MSRE в качестве топлива использовалась сложная смесь LiF-BeF2-ZrF4-UF4. В проекте TAP предлагается перейти на LiF-UF4.
Новая соль позволяет резко увеличить содержание в топливе урана - с 0,9% до 27,5%. Следовательно, вместо оружейного (93%) урана можно перейти к урану реакторного обогащения. При этом температуры плавления обеих солей примерно равны - 434°C и 490°C, соответственно.
Второе новшество, принятое в TAP - отказ от графитового замедлителя. Графит обладает подходящими для замедлителя сечениями захвата и хорошо соседствует с жидкими солями. Но приращение летаргии на акт соударения у графита относительно невелико, соответственно, объёмная доля графита в активной зоне должна быть большой.
По этой причине, в проекте TAP в качестве замедлителя выбран гидрид циркония. Следствием такого решения стала, в частности, возможность уменьшить размеры активной зоны и поднять удельную энергонапряжённость.
Разработчики ЖСР TAP отмечают, что в их проекте возможно достигать сверхглубоких выгораний - как минимум, вдвое больших, чем в легководных реакторах. Они подчёркивают также, что осознанно выбрали более мягкий, чем в быстрых реакторах, спектр нейтронов с целью уменьшить интегральное за кампанию воздействие быстрых нейтронов на конструкционные материалы.
Проект ЖСР TAP
Проект ЖСР TAP представляет собой проект реактора тепловой мощностью 1250 МВт(т) и электрической мощностью 520 МВт(э).
В состав первого контура входят корпус реактора, насосы и теплообменник. Конструкционные материалы - сплав на основе никеля, обладающий хорошими характеристиками по устойчивости к коррозии со стороны жидких солей.
Выходная температура жидкой соли первого контура - порядка 650°C.
Рабочее тело второго контура, состоящего из нескольких петель - жидкая соль LiF-KF-NaF. Второй контур соединён с третьим через парогенераторы, в третьем контуре производимый пар подаётся на турбину.
По третьему контуру рассматривается также вариант с циклом Брайтона на углекислом газе сверхкритических параметров sc-CO2.
В проекте предусмотрены система удаления осколков деления из первого контура и система подпитки топливным материалом. Масса топлива в активной зоне поддерживается в ходе кампании на примерно постоянном уровне, что позволяет реактору сохранять критичность на протяжении десятилетий.
Компоновка ЖСР TAP
Принципиальная схема блока с ЖСР TAP.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
A - корпус реактора;
B - насосы для перекачки жидкого топлива;
C - теплообменники первого контура;
D - аварийная арматура (freeze valve);
E - дренажный бак первого контура;
F - насосы второго контура;
G - парогенератор;
H - дренажный бак второго контура;
I - бассейн-ловушка топлива.
Аварийная арматура (freeze valve) представляет собой отвод от реактора, запечатанный в нормальных условиях пробкой из соли, находящейся в твёрдом состоянии за счёт электроохлаждения.
При аварии с потерей внешнего питания, электроохлаждение прекращается, солевая пробка расплавляется и теплоноситель первого контура сливается во вспомогательный бак (бассейн-ловушку). СЦР при этом прекращается благодаря отсутствию во вспомогательном баке замедлителя и благодаря его геометрии.
Активная зона ЖСР TAP
Активная зона ЖСР TAP имеет цилиндрическую форму. Теплоноситель, он же жидкое топливо, прокачивается через сборки замедлителей, набранные из стационарных и перемещаемых стержней малого диаметра и состоящих из гидрида циркония и устойчивой к коррозии оболочки.
Отношение объёмных долей замедлителя и жидкой соли за время кампании изменяется с помощью перемещаемых стержней замедлителя. Соответственно, за время кампании спектр нейтронов смещается из области промежуточных энергий в тепловую область.
Под промежуточным спектром здесь понимается такой спектр, при котором большинство делений происходит в диапазоне от 1 эВ до 100 кэВ.
В отчёте TAP используется иное определение промежуточного спектра - спектр, в котором большая часть нейтронов находится в диапазоне от 1 эВ до 1 МэВ.
Для топлива в работе ORNL были предусмотрены три сценария:
- обогащение начальной загрузки 5%, обогащение подпитки 5%;
- обогащение начальной загрузки 5%, подпитка материалом из ОЯТ LWR;
- обогащение начальной загрузки 10%, обогащение подпитки 19,9%.
Активная зона ЖСР TAP
Спектры нейтронов в ЖСР TAP (замедлитель ZrH1,66).
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
BOL - начало кампании;
EOL - конец кампании.
Результаты ORNL
Из отчёта ORNL можно заключить, что проект ЖСР TAP пока находится на уровне поисковых исследований. В отчёте отмечается, что он соответствует первому этапу совместных работ ORNL и TAP.
Для нейтронно-физических исследований на первом этапе применялись двумерные модели. Использованный код - ChemTriton, в состав которого входят SCALE для расчёта реактивности и потоков и модуль SCALE/TRITON для расчётов выгорания.
Из результатов, полученных на первом этапе, в отчёте ORNL делается следующий вывод.
При работе с промежуточным спектром на протяжении первых 15 лет кампании в реакторе образуется достаточное количество делящегося плутония, чтобы обеспечить достижение глубины выгорания 87,8 ГВт×сут/т после 29 лет работы.
На следующих этапах будут предприняты уже более серьёзные расчёты с использованием трёхмерных моделей.
Планируется изучение коэффициентов реактивности, пространственного распределения энерговыделения, алгоритмов перемещения стержней замедлителя, боковых и торцевых отражателей, флюенса на стержни замедлителя и других параметров.
Эти расчёты потребуют большего компьютерного времени, однако они необходимы для разработки проекта ЖСР TAP в целом.
В статье использованы материалы ORNL и компании TAP.
Оценили 5 человек
5 кармы