Быстрые реакторы, использующие эвтектику свинец-висмут или свинец в качестве теплоносителя (реакторы с тяжёлометаллическим теплоносителем, ТЖМТ-реакторы) обладают очень высокой степенью внутренне присущей самозащищённости и пассивной безопасности против тяжёлых аварий.
ТЖМТ-реакторы могут одновременно быть и более безопасными, и более дешёвыми по сравнению с традиционными легководными реакторами III поколения.
Как и любой теплоноситель, ТЖМТ обладают преимуществами и недостатками. Давайте вместе разберём, чем хорош и чем может быть плох такой теплоноситель.
Выбор теплоносителя для крупномасштабной энергетики
Обеспечить надёжное снабжение топливом крупномасштабной (5 тысяч ГВт(э) и более) атомной энергетики способны только быстрые реакторы, работающие в замкнутом ядерном топливном цикле (ЗЯТЦ), потому что только таким образом возможно вовлечь в процесс производства энергии все запасы сырьевого изотопа уран-238.
С другой стороны, в крупномасштабной атомной энергетике АЭС должны быть конкурентоспособны с другими энергоисточниками, в первую очередь, с энергоисточниками на основе ископаемого топлива. Также будущие АЭС должны значительно повысить степень своей защищённости от тяжёлых аварий или в принципе исключить их.
Реакторные технологии, которыми на сегодняшний день располагает атомная отрасль, не отвечают в полной мере вышеперечисленным требованиям. Поэтому необходимы усилия по разработке, освоению и внедрению реакторных технологий новых поколений.
Быстрые реакторы, построенные и строящиеся в мире (Россия, Китай, Индия, ранее Франция, США и некоторые другие страны), используют в качестве теплоносителя натрий. Такой выбор был сделан с учётом хороших теплофизических свойств натрия, что позволяло получать на быстрых реакторах высокие значения коэффициента воспроизводства (КВ) ядерного топлива. Так как натрий активно химически взаимодействует с водой и воздухом, в проектах быстрых натриевых реакторов требовалось принимать дополнительные меры по безопасности, что удорожало конструкцию и ухудшало экономические характеристики АЭС в целом.
На сегодняшний день отсутствует острая необходимость достижения высоких значений КВ, так как природный уран всё ещё относительно доступен и дёшев, а на складах скопились значительные запасы ОЯТ/плутония. Таким образом, можно считать, что выбор в пользу натрия перестал быть безальтернативным, и сегодня стало возможным вернуться к рассмотрению других теплоносителей для быстрых реакторов, позволяющих приступить к развёртыванию крупномасштабной атомной энергетики.
Одним из таких теплоносителей является ТЖМТ (свинец или свинец-висмут).
Общие свойства свинцового и свинцово-висмутового теплоносителей
Высокие температуры кипения. Эвтектика свинец-висмут кипит при 1670°C. свинец – при 1740°C. Следовательно, нет необходимости поддерживать высокое давление в первом контуре реакторной установки.
Существенно ослабляется проблема кризиса до кипения, снижается вероятность аварии типа LOCA с расплавлением активной зоны.
Отказ от высокого давления в первом контуре исключает инциденты с выбросом из контура под высоким давлением радиоактивных веществ. Следовательно, защитный контейнмент достаточно проектировать только на противостояние внешним событиям, таким как падение самолёта.
Химическая инертность при контактах с водой и воздухом. Таким образом, отпадает необходимость в промежуточном контуре, как в реакторах с натриевым теплоносителем.
Отсутствие реакций теплоносителя с водой позволяет говорить об отсутствии источников образования водорода в аварийных ситуациях.
Для локализации событий с протечками в теплообменных трубках парогенераторов в газовой системе первого контура ТЖМТ-реакторов предусматриваются конденсаторы пара. При их отказах парогазовая смесь пассивно сбрасывается в барботёр через разрывные мембраны. Гидравлическая схема ТЖМТ-реакторов обеспечивает эффективное гравитационное разделение пузырьков пара на свободном уровне теплоносителя под крышкой реактора. Как показал практический опыт эксплуатации реакторных установок с теплоносителем свинец-висмут на подводных лодках, при малых течах в парогенераторах (до 10 кг/ч) нет необходимости в немедленном глушении реактора.
Совместимость ТЖМТ с оксидным топливом. Позволяет исключить события с развитием микротрещин в оболочках твэлов в трещины с прямым контактом топлива и теплоносителя, что характерно для легководных реакторов.
Слабое замедление нейтронов на ядрах атомов теплоносителя. Позволяет повысить эффективность утилизации младших актинидов.
Поддержание кислородного режима в теплоносителе. Контроль за концентрацией растворённого кислорода в обоих тяжёлометаллических теплоносителях необходим для поддержания термодинамической стабильности защитной оксидной плёнки на внешней поверхности стальных оболочек твэлов. Эта задача сегодня считается решённой.
Высокая плотность ТЖМТ. Это свойство приводит к необходимости снижения скорости прокачки теплоносителя через активную зону, чтобы не завышать чрезмерно расходы энергии на прокачку.
Кроме того, вследствие высокой плотности теплоносителя требуется предпринимать дополнительные меры по укреплению сейсмостойкости. Также следует принимать во внимание возможность всплытия топлива и стали оболочек в теплоносителе в аварийных режимах.
Сравнительно низкая теплопроводность ТЖМТ. Это обстоятельство не позволяет достигать высоких тепловых потоков на поверхности оболочек твэлов.
В совокупности с предыдущим свойством (высокая плотность) это исключает возможность проектирования активных зон с высоким удельным энерговыделением, а также не создаёт возможностей для достижения коротких времён удвоения плутония, как это реально осуществить в быстрых реакторах с натриевым теплоносителем.
Различия в свойствах свинцового и свинцово-висмутового теплоносителей
Температура плавления. Для эвтектики свинец-висмут она составляет 124°C, для свинца – 327°C. Это позволяет существенно расширить диапазон рабочих температур для реакторов со свинцом-висмутом при примерно одинаковых температурах на выходе из активной зоны (500-550°C).
В свинцовых контурах необходимо поддерживать температуры, близкие к 400°C, чтобы исключить замерзание свинца (особенно в парогенераторах).
Изменение объёмов при замерзании. С этой точки зрения свинец-висмут имеет большое преимущество над свинцом.
Как показала практика подводных лодок с реакторами со свинцом-висмутом, объём теплоносителя при расплавлении не изменяется. Таким образом, в случае того или иного инцидента, приведшего к замерзанию теплоносителя, после его расплавления оборудование первого контура окажется в работоспособном состоянии.
Этот факт был подтверждён экспериментально на реакторной установке подводной лодки К-27 проекта 645, пребывавшей несколько лет в «замороженном» состоянии.
Более того, сам разогрев свинца-висмута требует меньших температур, чем разогрев свинца. Это важно, так как при разогреве возникают механические напряжения в оборудовании.
У свинца-висмута есть ещё одно свойство – самопроизвольное увеличение объёма в твёрдом состоянии со скоростью порядка 0,5% в два месяца, связанное с изменениями в кристаллической структуре. Однако низкая твёрдость и высокая пластичность твёрдого свинца-висмута исключает повреждение оборудования реакторной установки из-за этого эффекта.
Что касается свинца, то при расплавлении его объём увеличивается на 3,7%. В совокупности с необходимостью разогревать свинец до бо́льших температур это накладывает требование проектировать реакторную установку так, чтобы исключить полностью замерзание теплоносителя.
Накопление α-активного полония-210. Этот факт считается одним из важных недостатков теплоносителя свинец-висмут. Скорость образования sup>210Po в свинце-висмуте примерно в 10 тысяч раз выше скорости его образования в свинце.
В условиях нормальной эксплуатации опасность полония-210 минимальна, однако её нужно учитывать при рассмотрении аварийных ситуаций с попаданием теплоносителя первого контура в помещения реакторного здания.
Распространение полония-210 сокращается резко при отвердевании свинца-висмута. Кроме того, на основе опыта эксплуатации лодочных реакторов были разработаны методики и средства защиты персонала от облучения полонием-210.
Стоимость свинца-висмута . За счёт наличия висмута эвтектика свинец-висмут стоит дороже, чем чистый свинец. Однако при нынешних капитальных затратах на строительство АЭС вклад висмута в общую стоимость не превысит нескольких процентов.
Опыт эксплуатации. Опыт эксплуатации реакторов с теплоносителем свинец-висмут составляет примерно 80 реакторо-лет (реакторы подводных лодок и экспериментальные стенды в СССР).
В отличие от свинца-висмута, свинцовая технология является новой и ещё до конца не исследованной.
Заключение
В реакторных установках с ТЖМТ количество накопленной потенциальной энергии в теплоносителях минимально, что позволяет в максимальной степени обеспечить внутренне присущую пассивную безопасность и устранить причины тяжёлых аварий, требующих эвакуации населения.
Это позволит преодолеть радиофобию населения, вновь обострившуюся после аварии на АЭС «Фукусима-1», что очень очень важно для масштабного и устойчивого развития атомной энергетики.
Как и все другие теплоносители, свинец-висмут и свинец обладают преимуществами и недостатками. Их основные общие свойства – очень высокая температура кипения и химическая инертность при контакте с воздухом и водой. Именно эти свойства обеспечивают очень высокий уровень внутренне присущей безопасности, позволяя исключить определённые системы безопасности и удешевить АЭС.
Основным отличным свойством этих теплоносителей является более высокая температура плавления свинца, что затрудняет эксплуатацию реакторов, охлаждаемых свинцом.
Невозможно отдать предпочтение какому-либо теплоносителю без создания и получения реального опыта эксплуатации экспериментальных (демонстрационных) прототипов АЭС со свинцово-висмутовым и свинцовым теплоносителями.
Вместе с тем, для реакторов со свинцово-висмутовым теплоносителем технические и финансовые риски, связанные с освоением инновационной технологии, будут намного меньше из-за наличия эксплуатационного опыта реакторов, чем для реакторов со свинцовым теплоносителем, не имеющих эксплуатационного опыта.
В публикации использованы материалы статьи «Lead-Bismuth and Lead as Coolants for Fast Reactors», G. I. Toshinsky et al., World Journal of Nuclear Science and Technology, 2020, 10, 65-75.
