Исследователи из Ливерпульского университета и Copenhagen Atomics говорят, что чистота соли является решающим фактором в предотвращении коррозии нержавеющей стали в реакторах с расплавленной солью. Между тем на высокопоточном реакторе в Нидерландах начались испытания материалов для таких реакторов на предмет облучения.

Нагретая жидкая соль наливается в небольшую емкость (Изображение: Copenhagen Atomics)

Реакторы с расплавленной солью (РМС) используют расплавленные фтористые соли в качестве первичного хладагента при низком давлении. Они могут работать с эпитермальным спектром или спектром быстрых нейтронов, а также с различными видами топлива. Сегодня большой интерес к возрождению концепции MSR связан с использованием тория (для разведения делящегося урана-233), где нужно обеспечить первоначальный источник расщепляющегося материала, такого как плутоний-239. Существует ряд различных концепций проектирования MSR и ряд интересных проблем в коммерциализации многих из них, особенно с торием.

Исследование, проведенное Ливерпульским университетом Соединенного Королевства и копенгагенской компанией"Атомикс" в Дании и опубликованное в Journal of Nuclear Materials, показывает, что высокая чистота соли предотвращает коррозию нержавеющей стали 316L-широко используемого и экономически эффективного материала-в МСР. Это открытие прокладывает путь к более доступным, долговечным и масштабируемым ядерным энергетическим системам следующего поколения. Суровая, высокотемпературная среда расплавленных фтористых солей исторически вызывала быструю коррозию конструкционных материалов, ограничивая их коммерческую жизнеспособность. Предыдущие решения основывались на дорогих сплавах с высоким содержанием никеля, что увеличивало затраты и усложняло производство.

Исследователи провели долгосрочные коррозионные испытания нержавеющей стали 316L как в очищенных, так и в необработанных расплавленных солях (FLiNaK и LiThF) при температурах до 700 ° C. Результаты показали, что необработанные соли, содержащие влагу и оксиды, вызывают сильную коррозию с потерей металла, деградацией поверхности и структурным ослаблением всего через 1 000 часов. Однако очищенные соли с удаленными примесями приводят к незначительной коррозии даже после 3 000 часов. Сталь сохранила свою целостность, и на ее поверхности образовался лишь тонкий защитный слой карбида хрома.

"Чистота соли абсолютно необходима для борьбы с коррозией в реакторах с расплавленной солью",-сказал Маулик Патель, профессор ядерных материалов, Ливерпульский университет, который является соавтором исследования. Эти результаты подтверждают то, на что указывали десятилетия исследований, в том числе работы в Oak Ridge в эпоху MSRE: если удалить реактивные примеси, расплавленные соли могут стать стабильной и управляемой средой для реакторных материалов. Это является крупным шагом вперед в этой области.

Томас Стинберг, соучредитель и вице-президент по критическим материалам в Copenhagen Atomics, добавил: Надеюсь, это исследование раз и навсегда заглушит"миф о коррозии", что MSR неосуществим из-за коррозии. Использование технических средств контроля является более предпочтительным по сравнению с использованием экзотических сплавов на основе унобтана.

« Хотя это исследование создает прочную основу, необходимы дальнейшие исследования для оценки воздействия радиации, продуктов деления и динамических условий реактора на долговременные характеристики материала »,-отметила Copenhagen Atomics. "Оптимизация методов очистки соли также будет иметь важное значение для устранения даже микропримесей".

Copenhagen Atomics разрабатывает контейнерный реактор расплавленной соли. Умеренный с помощью тяжелой воды без давления, реактор потребляет ядерные отходы, производя новое топливо из тория. Мощность реактора, достаточно малого для массового производства и сборочного конвейера, составляет 100 МВт.

Испытания на облучение

Тем временем NRG-Pallas объявила, что на реакторе с высоким потоком (HFR) в Петтене, Нидерланды, начались исследования материалов для MSR. Это исследование облучения, проводимое в рамках исследовательской программы NRG-Pallas по поручению Министерства экономики и политики в области климата, позволит изучить взаимодействие между солью и строительными материалами будущего MSR.

(Изображение: NRG-Pallas)

Начиная с 2015 года, NRG-Pallas разрабатывает возможности для квалификации расплавленного солевого топлива и строительных материалов MSR (сплавы, графит и т. д.) для использования в высокотемпературном нейтронном поле.

HFR является одним из немногих реакторов для испытания материалов в мире, который может исследовать ядерное топливо и достичь значительного нейтронного повреждения строительных материалов. Реактор используется как для производства медицинских изотопов, так и для исследований в области ядерной энергии и работает на полной мощности примерно 260 дней в году с периодическими остановками для технического обслуживания и загрузки топлива. Высокий поток нейтронов в сочетании с контрольно-измерительными приборами позволяет проводить ускоренные испытания материалов и топлива в контролируемых условиях. HFR будет заменен новым реактором Pallas, который в настоящее время строится в Петтене, что обеспечит непрерывность этих уникальных услуг по облучению ядерного топлива и материалов.

"Программа по расплавленной соли в NRG PALLAS включает в себя исследования подходящих строительных материалов, обработку и очистку расплавленных солей, а также стабилизацию радиоактивных отходов",-сказал Арьян Врилинг, менеджер по ядерному облучению в NRG-Pallas. В рамках этой программы уже завершено несколько проектов. Такое облучение является новаторским, поскольку воздействие облучения на коррозию строительных материалов ранее не проверялось. В течение нескольких лет, мы сможем увидеть, как материал ведет себя.

Кроме того, мы определяем, какие продукты деления выделяются из топлива при облучении. Топливо должно оставаться как можно более чистым во время использования, поэтому важно знать, остаются ли образующиеся продукты деления растворенными, осаждающимися или газообразными. В рамках этой программы по расплавленной соли мы сотрудничаем с Объединенным исследовательским центром Европейской комиссии. Соль поставляется из Карлсруэ, и в настоящее время в сотрудничестве с компанией"Петтен" разрабатывается проект установки для облучения. Это уникальное исследование, которое еще больше приближает реализацию реакторов с расплавленной солью.