ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ НАТРИЕВОГО БЫСТРОГО РЕАКТОРА КАК ИСТОЧНИКА ВЫСОКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА И ДРУГИХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

УДК 621.039.526 ... (ГНЦ РФ - ФЭИ им. А. И. Лейпунского, г. Обнинск) ... По современным представлениям в будущей структуре ядерной энергетики большую роль будут играть реакторы с температурой теплоносителя на выходе из активной зоны ~900 °С. Их применение позволит решить такие важные задачи, как производство большого количества водорода, повышение к.п.д. выработки электроэнергии, а также расширить применение высокотемпературной технологии в промышленности. ... В настоящее время для этой цели рассматриваются высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем. Например, в США и некоторых других странах разрабатываются проекты модульного теплового гелиевого реактора GT-MHR [1] с газотурбинным преобразо- ... ванием энергии и быстрого GFR [2] для использования в производстве водорода с помощью йодно-серного цикла разделения воды без образования парниковых газов. В нашей стране группой предприятий во главе с РНЦ "Курчатовский институт" [3] разработано техническое предложение по созданию энерготехнологической установки на основе теплового высокотемпературного гелиевого ВТГР для химико-технологического процесса паровой конверсии метана или продуктов газификации низкокалорийного каменного угля. ... В ФЭИ параллельно с развитием быстрых энергетических реакторов с натриевым теплоносителем, имеющих на выходе из активной зоны температуру -550 °С, в течение многих лет проводились физические и технологические исследования по разработке быстрых реакторов с температурой теплоносителя на выходе из активной зоны - 900 °С и другими конструкционными материалами. ФЭИ как научный руководитель приобрел опыт проектирования таких реакторов и обладает соответствующей научно-технологической информационной базой. За прошедшие годы в институте создано около десятка различных технологических стендов, на которых получены результаты, позволившие обосновать главные характеристики реакторов, выбрать конструкционные и делящиеся материалы и изучить основные вопросы технологии натриевого теплоносителя при высокой температуре. В частности, на основе этих исследований были созданы космические реакторы "Бук" и "Топаз" с термоэлектрическим и термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии, которые, работая в составе космических установок в автоматическом режиме, показали высокую надежность. ... В настоящей статье представлены результаты концептуальных исследований по формированию облика энергетического высокотемпературного быстрого натриевого реактора БН-ВТ [4] как источника высокопотенциальной тепловой энергии, выбору основных характеристик, удовлетворяющих современным требованиям безопасности для реакторов будущих поколений, и выделены проблемы, которые должны быть решены на пути его создания. ... Рассмотрим один из вариантов модульного реактора БН-ВТ мощностью 600 МВт. Результаты нейтронно-физических, теплофизических и технологических расчетных исследований были получены с помощью программ и систем констант, обоснованных экспериментальными работами. ... Твэл. Выбран твэл стержневого типа внешним диаметром 8 мм с оболочкой толщиной 0,3 мм из молибденового сплава ВМ-1, ЦМ-10ВД или 4604. В качестве делящегося материала используется смешанное нитридное топливо, обладающее некоторыми положительными свойствами и имеющее перспективу использования в реакторах будущих поколений. Между внутренним стержнем и оболочкой имеется заполненный натрием зазор, есть компенсационный объем для отвода образующихся в делящемся материале газов (рис. 1). ... Такая конструкция твэла, относящаяся к контейнерному типу, выбрана из соображений, что молибденовые сплавы, обладая хорошей коррозионной стойкостью в натрии при температуре до 1000 °С, под действием нейтронного излучения частично теряют свою пластичность. Поэтому на основании экспериментальных данных их применение на данном этапе следует ограничить повреждающей дозой до 120 смещ./ат. и исключить механическое взаи- ... Рис. 1. Поперечный и продольный разрез твэла: 1 - отражатель; 2 - топливо; 3 - оболочка; 4 - натриевый подслой; 5 - натриевая полость; б - компенсационный объем ... модействие сердечника с оболочкой во всех режимах работы реактора выбором соответствующего зазора между ними. ... Для удобства замены твэлы объединены в бесчехловые ТВС с размером под "ключ" 104 мм. Дистанционирование твэлов обеспечивается винтовыми ребрами с шагом спирали 100 мм (касание ребра по ребру). ТВС фиксируются в верхней и нижней трубных досках с учетом термического расширения материалов. ... Топливо и размеры активной зоны. Указанные параметры выбирали исходя из современных требований ядерной безопасности, в частности, сведения к минимуму вероятности разгона реактора на мгновенных нейтронах при всех режимах работы, включая аварийные ситуации. Для этого рассматривалась задача выравнивания временной зависимости эффективного коэффициента размножения нейтронов ?эф(У) за кампанию, что дает возможность существенно снизить риск неконтролируемого разгона. Для решения этой задачи и было выбрано смешанное нитридное топливо (U + Pu)N, которое позволяет поддерживать снижение эффективного коэффициента размножения нейтронов в течение кампании за счет воспроизводства 239Ри из 238U и наличия эффективного выгорающего поглотителя нейтронов 241Ат.