Кіріспе

Балқытылған қорғасынмен салқындатылатын ядролық реактор түрі. Қорғасынмен салқындатылатын жылдам реактор – балқытылған қорғасын немесе қорғасын-висмут эвтектикалық салқындатқышын пайдаланатын ядролық реактор конструкциясы. Бұл материалдар төмен нейтрон сіңіру қабілетіне және салыстырмалы түрде төмен балқу температурасына ие болғандықтан, негізгі салқындатқыш ретінде қолданылуы мүмкін. Нейтрондар осы ауыр ядролармен өзара әрекеттесу арқылы аз ғана баяулайды (сондықтан нейтрондық баяулағыштар болып табылмайды), демек бұл реакторлар жылдам нейтрондармен жұмыс істейді. Концепция, негізінен, натриймен салқындатылатын жылдам реакторларға ұқсас, ал көптеген сұйық металл жылдам реакторлары қорғасынның орнына натрийді пайдаланған. 1970 жылдардағы бірнеше советтік атомдық суасты қайықтарындағы реакторларды қоспағанда, қорғасынмен салқындатылатын реакторлар аз санда ғана салынған. Дегенмен, бірқатар ұсынылған және құрылысы жүріп жатқан жаңа ядролық реактор конструкциялары қорғасынмен салқындатылады. Осы реактор схемасы үшін зерттеліп жатқан отын түрлеріне металл, металл оксидтері немесе металл нитридтері түріндегі көбейтілмелі уран кіреді. Қорғасынмен салқындатылатын реактор конструкциясы IV буын реактор ретінде ұсынылған. Бұл типтегі реакторды болашақта іске асыру жоспарларына 300-400 МВт қуаттылығы бар модульдік құрылымдар және 1200 МВт қуаттылығы бар ірі монолиттік орналасқан станциялар кіреді.

Операция

Қорғасынмен суытылған жылдам реакторлар жылдам нейтрондармен және балқытылған қорғасын немесе қорғасын-бисмут эвтектикалық салқындатқышпен жұмыс істейді. Балқытылған қорғасын немесе қорғасын-бисмут эвтектикасы негізгі салқындатқыш ретінде қолданылуы мүмкін, себебі әсіресе қорғасын, ал бисмут кіші дәрежеде, төмен нейтрон сіңіру қабілетіне және салыстырмалы түрде төмен балқу температурасына ие. Нейтрондар осы ауыр ядролармен өзара әрекеттесу арқылы аз ғана баяулайды (сондықтан нейтрондық тежегіштер емес) және осылайша, реактордың осы түрін жылдам нейтронды реакторға айналдыруға көмектеседі. Түрлендіріп айтқанда, егер нейтрон ұқсас массасы бар бөлшекті шағылыстырса (мысалы, қысымды су реакторындағы сутек), ол кинетикалық энергиясын жоғалтуға бейім. Керісінше, егер ол қорғасын сияқты әлдеқайда ауыр атомға шағылысса, нейтрон энергиясын жоғалтпай "кері секіреді". Дегенмен, салқындатқыш нейтрон шағылыстырғыш ретінде де қызмет етеді, ядроға қайта оралатын кейбір қашқан нейтрондарды қайтарады. Кішкентай сыйымдылығы бар қорғасынмен суытылған жылдам реакторлар (мысалы, SSTAR) табиғи конвекция арқылы суытылуы мүмкін, ал үлкен конструкциялар (мысалы, ELSY) қалыпты қуат режимінде мәжбүрлі айналымды пайдаланады, бірақ төтенше жағдайларда табиғи айналымды салқындатуға көшеді. Оператордың араласуы қажет емес, реактор тоқтатылғаннан кейін қалдық жылуды суыту үшін ешқандай сорғылау қажет емес. Реактордың шығу салқындатқышының температурасы әдетте 500-600 °C аралығында болады, ал кейінгі конструкциялардағы жетілдірілген материалдармен 800 °C-тан асып кетуі мүмкін. 800 °C-тан жоғары температуралар теориялық тұрғыдан күкірт-иод циклы арқылы сутегінің термохимиялық өндірісін қолдауға жеткілікті, бірақ бұл әлі дәлелденбеді. Концепция, әдетте, натриймен суытылған жылдам реакторға өте ұқсас, және көптеген сұйық металл жылдам реакторлары қорғасынның орнына натрийді қолданды. 1970 жылдардағы кейбір советтік атомдық суасты қайықтарындағы реакторларды қоспағанда, қорғасынмен суытылған реакторлар аз санда ғана салынды, бірақ көптеген ұсынылған және құрылыстағы жаңа атомдық реакторлардың дизайны қорғасынмен суытылады.

Отын

Осы реактордың жобаларында металл, металл оксидтері немесе металл нитридтері түріндегі тың уран қарастырылуда. Қорғасын нейтрондармен іс-қимылға түспейді. Осылайша, қорғасынның нейтрондарды сіңіруінен радиоактивті элементтер пайда болмайды. Бұл басқа жылдам реакторлардың конструкцияларынан, соның ішінде ресейлік су асты кемелерінде қолданылған қорғасын-висмут эвтектикасынан өзгеше. Бұл қоспадағы 209 висмут (таза қорғасынға қарағанда төмен балқу температурасы – 123,5 °C) белгілі бір деңгейде 210Po, яғни 210 полонийға айналады, ол өте радиотоксикалық альфа-эмиттер болып табылады. Қорғасын нейтрондарды сіңірмесе де, оның жоғары тығыздығы (10,66 г/см3, балқу температурасында сұйық күйде) гамма-сәулелері мен басқа иондаушы сәулелерді тиімді сіңіруге мүмкіндік береді. Бұл реактордың сыртындағы радиациялық өрістің өте төмен болуын қамтамасыз етеді. Қалқымалы натрий металлымен салыстырғанда, қорғасынның тұтанғыш қасиеттері жоқ (натрийдің жануы – су мен натрий арасындағы күшті реакциямен шатастырылмауы керек жұмсақ реакция), және ақау болған жағдайда қатып қалады. Қорғасынның сұйық күйде қалатын температура диапазоны өте кең (1400 К немесе 1126 °C-тан жоғары), сондықтан кез келген жылулық өзгерістер қысымның өсуіне әкелмей сіңіріледі. Іс жүзінде, жұмыс температурасы шамамен – градусқа дейін ұсталады, себебі материалдың басқа да қасиеттері мен физикалық-химиялық шектеулері бар, соның ішінде сұйық металмен коррозияға (сұйық металдың сынығып кетуі) және амальгама арқылы металдың еріуіне (тұрақты Cr және Ni элементтерінің тот баспайтын болаттан шығарылуына) сезімталдығы. Барлық жылдам реакторлардың конструкциялары сияқты, жоғары температура мен жоғары жылу инерциясының арқасында төтенше жағдайларда пассивті салқындату мүмкін. Сондықтан, электрлік сорғылардың қажеті жоқ, тоқтағаннан кейін қалдық жылуды жою үшін табиғи конвекция жеткілікті. Осы мақсатқа жету үшін реакторлардың жобаларына электр қуатын және оператордың араласуын қажет етпейтін арнайы пассивті жылуды жою жүйелері енгізілген. Барлық жылдам реакторлар сумен салқындатылатын (және баяулатылатын) реакторларға қарағанда ядродағы температураны едәуір жоғары деңгейде ұстайды. Бұл бу генераторларында термодинамикалық тиімділіктің айтарлықтай жоғары болуына мүмкіндік береді. Осылайша, ядролық бөліну энергиясының үлкен бөлігі электр энергиясына айналады. Нақты жағдайда 40%-дан астам тиімділікке қол жеткізуге болады, ал сумен салқындатылатын реакторларда бұл көрсеткіш шамамен 30% құрайды. Сол сияқты, барлық жылдам спектрлі реакторларда салқындатқыш қысымға түспейді. Бұл қысымды ыдыстың қажеттігін жояды және құбырлар мен арналар қысымға төзімді емес болаттан және қорытпалардан жасалуы мүмкін. Негізгі салқындатқыш контурдағы кез келген ақаулық өте жоғары қысыммен шығарылмайды. Қорғасынның жылу өткізгіштігі (35 Вт/м·К) судың жылу өткізгіштігінен (0,58 Вт/м·К) жоғары, бұл отын элементтерінен салқындатқышқа жылуды тиімді жеткізуді қамтамасыз етеді. Үнемі отынды ауыстырудың орнына, бүкіл ядро көп жылдық жұмыс істегеннен кейін ауыстырылуы мүмкін. Мұндай реактор өздерінің ядролық инфрақұрылымын құруды жоспарламаған елдерге қолайлы. Қорғасынның ядролық қасиеттері оң бос коэффициентін болдырмауға мүмкіндік береді, бұл үлкен натрийлі жылдам реакторлардың ядроларында болдырмау қиын. Қорғасын сумен немесе ауамен айтарлықтай әрекеттеспейді, натрийден айырмашылығы, ол ауада тез жануы мүмкін және сумен жанасқанда жарылуы мүмкін. Бұл оңай, арзан және қауіпсіз оқшаулауды және жылу алмастырғыштарды/бу генераторларын жобалауға мүмкіндік береді.

Бельгия

MYRRHA жобасы (Multi purpose hYbrid Research Reactor for High tech Applications) протондық үдеткішпен (акселератормен жұмыс істейтін жүйе, ADS) біріктірілген болашақ ядролық реакторды жобалауға үлес қосуды мақсат етеді. Бұл «қосық бисмутпен немесе қорғасынмен салқындатылған жылдам реактор» болуы мүмкін, екі мүмкін конфигурациямен: субкритикалық немесе критикалық. Реактор бассейн немесе циклдік типте болуы мүмкін. Жобаны Бельгияның ядролық энергияны зерттеу орталығы SCK CEN басқарады. Ол 1960 жылдардың басында SCK CEN-де жұмыс істеп тұрған нөлдік қуаттылық реакторы Venus-тан алынған және кішкентай протондық үдеткішіне қосылған балқытылған қорғасын-бисмут эвтектикасының (LBE) ваннасын орналастыру үшін өзгертілген алғашқы шағын прототиптік зерттеу демонстраторына негізделген. 2010 жылдың желтоқсанында MYRRHA Еуропалық Комиссия тарапынан келесі 20 жылда ядролық зерттеулерде Еуропаның жетекшілігін сақтауға бағытталған 50 жобаның бірі ретінде тізілді. 2013 жылы жоба дамудың келесі кезеңіне енді, Areva басқаратын консорциумға инженерлік жобалау бойынша келісімшарт берілді. Материалдарды сынау реакторы ретінде жұмыс істеуге қабілетті, жоғары қуат тығыздығына (яғни жоғары нейтрон ағынына) ие компактты ядроға бағытталған АДС MYRRHA-да қолданылатын отын бөлінгіш изотоппен жоғары дәрежеде байытылуы керек. Көрсетілген нейтрондық көрсеткіштерді алу үшін бастапқыда 30–35 салмақтық пайызы 239Pu (плутоний-239) бар жоғары байытылған MOx отыны таңдалды. Алайда, Abderrahim және авторлар (2005) бойынша, анықталған техникалық қиындықтармен қатар, жобаның егжей-тегжейлі жобалау кезеңіне кіргенде күтілетін құрылыс және пайдалану шығындарына байланысты қаржылық және экономикалық тәуекелдер де болды. Жобалаудағы күрделіліктерге байланысты ұзақ құрылыс кешігулері, техникалық қиындықтарды бағалаудағы қателіктер және жеткіліксіз бюджет мұндай жобалар үшін жаңалық емес. Бельгия мемлекетінің шектеулі қатысуы (барлық шығындардың 40%-ы) және сыртқы жоба иелері үшін күмәнді пайда да атап өтілді. Front end engineering design (FEED) жұмыстарын тоқтатуға тура келді және олар алдын ала кезеңнен асып түспеді. Таң қалдыратыны, FEED жұмысының алдын ала нәтижелері ADS немесе жылдам нейтронды реакторлар саласына еш қатысы жоқ журналда жарияланды: International Journal of Hydrogen Energy (IJHE), ал MYRRHA-мен сутегі өндіру туралы сөз болған жоқ. Осы журналды FEED жұмысының алдын ала нәтижелерін ұсыну үшін таңдау түсініксіз. FEED жұмысы жарияланған Physics Procedia журналы да тоқтатылды. Үнемі өсіп келе жатқан шығындар мен қаржылық белгісіздіктерге қарамастан, жоба әлі де көптеген техникалық мәселелерді шешуі керек: қатты коррозия (сұйық металдың әсерінен сыну, отын қаптамалары мен реактор құрылымдық материалдарындағы тот баспайтын болаттан алынған Cr және Ni балқытылған металда еріп кетуі), жұмыс температурасы (металдың қату қаупі және коррозия жылдамдығының артуы), ядролық қауіпсіздік мәселелері. 2013–2015 жылдардағы FEED алдын ала талдауларында қарастырылған MYRRHA жобасының ұсынылған бассейн типі үшін қорғасын-бисмут эвтектикасының (LBE) жалпы массасы 4500 тонна металл Pb Bi құрайды. Бұл 5,5 × 10 бекерель белсенділігіне сәйкес келеді.

Германия

Екі сұйықтық реакторы (ДФР) жобасын бастапқыда Берлиндегі Германияның зерттеу институты – қатты күйдегі ядролық физика институты әзірлеген. 2021 жылдың ақпан айында жоба, тұжырымдаманы өнеркәсіптік деңгейде енгізу үшін, жаңадан құрылған канадалық Dual Fluid Energy Inc. компаниясына берілді. ДФР жобасы балқытылған тұз реакторының және сұйық металлмен салқындатылған реактордың артықшылықтарын біріктіруге бағытталған. Жылдам көбейту реакторы ретінде ұсынылған ДФР реакторы табиғи уранды немесе торийді, сондай-ақ трансмутацияланатын және бөлінетін аз маңызды актинидтерді өңдеуге арналған. Балқытылған металдың жоғары жылу өткізгіштігінің арқасында ДФР реакторының қалдық ыдырау жылуын пассивті түрде жоюға болады.

Румыния

ALFRED (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator) – Италияның Ansaldo Energia компаниясы жобалаған және Румынияның Миовени қаласында салыну жоспарланған қорғасынмен суытылатын жылдам реактордың демонстрациялық үлгісі. ATHENA – зерттеу мақсатында қолданылатын балқытылған қорғасынмен толтырылған бассейн, сондай-ақ сол жерде салынады.

Ресей

BREST реакторы қазіргі уақытта салынып жатыр. Бұл реактор салқындатқыш ретінде таза қорғасынды, отын ретінде плутоний/уран нитридін пайдаланады, 750 МВт жылудан 300 МВт (электр) энергия өндіреді және бассейндік типтес реактор болып табылады. Негізі 2021 жылдың қараша айында дайын болды. Реактор Сібір химия комбинатының (СХК) Северск алаңында орналасқан.

Швеция

LeadCold компаниясы KTH Royal Institute of Technology және Uniper ұйымдарымен бірлесіп SEALER (Swedish Advanced Lead Reactor) реакторын – уран нитриді отынды қолданатын, қорғасынмен салқындатылатын реакторды жасап дамытуда.

Ұлыбритания

Британдық Newcleo компаниясы теңіз және құрлықта пайдалануға арналған 30 МВт және 200 МВт қуаттылықтағы қорғасынмен суытылатын шағын модульді реакторларды әзірлеп жатыр. Алғашқы жұмыс істейтін реактор 2030 жылы Францияда орнатылуы жоспарлануда.

Америка Құрама Штаттары

Hyperion Power Module бастапқы дизайны осы типте болу жоспарланған, HT 9 түтіктеріне қапталған уран нитрид отыны, кварцты рефлектор және салқындатқыш ретінде қорғасын-бисмут эвтектикасын қолдану арқылы. Фирма 2018 жылы жұмысын тоқтатты. Лоуренс Ливермор Ұлттық зертханасы SSTAR-ды қорғасынмен салқындатылатын конструкция ретінде әзірледі.