У США розпочали будівництво атомного реактора на розплавлених солях

Проект «Гермес» став першим нелегководним реактором у США за півстоліття. Від рідкосольових реакторів інших країн його відрізняє незвичайна схема з використанням солі лише для охолодження реактора, а не як розчинника для ядерного палива в активній зоні.

У 1960-х у США побудували перші експериментальні рідкосольові реактори. Ядерне паливо там розчиняли в солі із загальною формулою FLiBe. Таке рішення дозволяло видаляти частину палива («відпрацьованого») та додавати натомість нове прямо під час роботи реактора, без його зупинки для перевантаження палива.

Крім того, сіль легко грілася до плюс 700 градусів за Цельсієм, що дозволяло отримувати високий ККД (на 30-40% вище, ніж у тодішніх водо-водяних реакторах). Сіль доводилася до високих температур при тиску близько однієї атмосфери, а не за 150-200, як у водо-водяних реакторах. Тому оболонку реактора робили не товстою, немов лінкорна броня (і як у звичайних сучасних реакторів), а завтовшки всього кілька сантиметрів.

Однак ці реактори мали й великі недоліки: сіль з ядерним паливом мала високу корозійну активність. У разі використання для передачі тепла поза першим контуром створювалася наведена радіоактивність у трубопроводах та теплообмінниках. Виділялася і велика кількість тритію (з літієвого компонента солі), що також створювало корозійні та радіаційні проблеми для конструктивних елементів реактора.

Тепер американська компанія Kairos Power розпочала будівництво демонстраційного реактора малої потужності «Гермес», в якому рідкосольову концепцію серйозно змінили. Ядерне паливо буде не розчинене в солі, а упаковане в TRISO — кульки, в яких паливо (оксид урану) укладено в оболонку з піролітичного графіту, покритого карбідом кремнію, поверх якого наносять ще один шар піролітичного графіту.

Ядерна реакція там запускається за рахунок гальмування теплових нейтронів графітом, тобто реактор на повільних нейтронах. З одного боку, це мінус, оскільки раніше рідкосольові реактори були на швидких нейтронах — могли працювати реакторами-розмножувачами, що напрацьовують плутоній, що ділиться з урану-238, що не ділиться.

Але теоретично у нової конструкції є і плюси. Сіль FLiBe, що оточує сталеву ємність із кульками TRISO, не містить ядерного палива, тому нерадіоактивна. Через викликане цим менше нейтронне навантаження в ній напрацьовуватиметься менше телуру (він вів до розтріскування сталевих поверхонь у ранніх рідкосольових реакторах).

Після реактора сіль йде теплообмінник, де гріє проміжну сіль з урахуванням деяких (неуточнюваних) нітратів. Вже розплавлені нітрати грітимуть воду для парогенераторів як мінімум до плюс 585 градусів. Разом з наявністю пароперегріву це теоретично має піднімати ККД подібних реакторів до 45%. Для порівняння: типові водо-водяні реактори мають ККД не вище 35%, а натрієві реактори – максимум 40%.

У реактор (ліворуч) у міру його роботи засипатимуться кульки TRISO (зона з ними показана зеленим), а знизу їх потроху вийматимуть (все це без зупинки роботи). Місткість з кульками оточена розплавленою сіллю на базі фтору, літію та берилію. Вона подається в проміжний теплообмінник, де циркулює трубками. Основний обсяг теплообмінника заповнений другою сіллю, іншого складу. Звідти сіль другого типу йде парогенератор, де гріє воду до пари під тиском в 190 атмосфер. Фактично новий реактор триконтурний / © Kairos Power

«Гермес», що будується, увійде в дію в 2027 році. Він не вироблятиме електроенергію, оскільки реактор демонстраційний зможе виробляти тільки тепло. Так розробники хочуть перевірити, наскільки новий підхід до рідкосольових реакторів стійкий до корозії та інших подібних проблем реакторів. Якщо все піде добре, на початку 2030-х Kairos Power планує серійно будувати модульні реактори типу «Гермес» вже на 145 мегават електричної потужності.

Інвестиції самої компанії у проєкт становитимуть 100 мільйонів доларів. Ще 300 мільйонів додасть Міненерго США. Багато хто в Штатах розкритикував цей проєкт, вказуючи на те, що у нього, по суті, не так багато плюсів. Допалювати мінорні актиніди (найскладніший у ліквідації компонент ядерного палива) в ньому не вийде, оскільки TRISO не сильні у використанні такого палива. Реактора-розмножувача в силу використання повільних нейтронів теж не вийде — повільні нейтрони слабо перетворюють уран-238, що розділяється, в ділиться плутоній.

У результаті переваг рідкосольового реактора залишаються тільки висока температура активної зони і підвищений через це ККД. На тлі потенційних складнощів з корозією через агресивні солі це не виглядає безризиковим вкладенням. З іншого боку, якщо проблеми корозії будуть вирішені, подібні реактори можуть стати дешевшими за водо-водяні за рахунок набагато легшого і простого корпусу реактора та загальних менших габаритів подібних АЕС.