Реактор на расплаве металла Опции

[Татарин]

В интервью про ЖСР был упомянут экзотичный концепт - жидкотопливный реактор, в котором уран и плутоний растворены в свинце.

Что не так с этой концепцией, почему она "не пошла"?

Насколько можно себе представить, тут есть почти все выгоды ЖСР при явно меньших проблемах с коррозией.

[AtomInfo.Ru]

В интервью про ЖСР был упомянут экзотичный концепт - жидкотопливный реактор, в котором уран и плутоний растворены в свинце.

LAMPRE I, который был построен, на самом деле не совсем такой.

По нему очень мало материалов в интернете, и мы при редактировании даже не сошлись во мнениях с Г.И., какую ссылку на него поставить. Всё несколько не то.

Вот есть такая краткая выдержка:

http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCol...4032427.pdf?r=1

В качестве части программы по развитию плутониевого топлива для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах Лос-Аламосская научная лаборатория сконструировала и эксплуатирует испытательный реактор с натриевым охлаждением мощностью в 1 мегаватт, активная зона которого содержит расплавленный сплав плутония и железа (90 атомных процентов плутония, 10 атомных процентов железа при точке плавления
410° Ц).

Регулировка реактивности обеспечена путем использования отражателя из нержавеющей стали и четырех никелиевых регулирующих стержней, расположенных вне активной зоны.

Это 1962 год, публикация МАГАТЭ.

Как видно, расплавленное топливо в LAMPRE I всё-таки не циркулирует, а где-то находится.

Если посмотреть другие немногочисленные источники в интернете, то можно найти, что Pu-Fe топливо "contained in tantalum capsules".

Но сам Г.И. имел в виду другой штатовский проект (возможно, нереализованный в железе), потому что очень чётко помнил про плутоний и висмут. Отыскать следы этого проекта с ходу мы все вместе не смогли, поэтому оставили в тексте LAMPRE (без указания номера) как пример технологии.

[AtomInfo.Ru]

Про почему не пошло.
Естественно, точный ответ дать трудно по давности лет и ограниченности информации (опытом по экзотическим направлениям делятся крайне редко, предпочитая придерживать на будущее, вдруг да пригодится).

Про расплав плутония с железом, который был в LAMPRE I, Г.И. почему-то сразу сказал, что это плохо. Не знаю уж, почему. Скорее всего, один из недостатков связан с проблемами коррозии.

Если почитать в интернете, сами янки тоже от Pu-Fe отказались и более его не рассматривали. Упоминается вариант Pu-Co-Ce, вот такой хитрый расплав.

Вообще танталовые капсулы в LAMPRE I появились явно неспроста, и наверняка коррозия была одной из причин.

Первый контур, выполненный целиком из тантала, смотрится как-то нехорошо с точки зрения экономики, а если делать как в LAMPRE I , то есть, фактически делать твэлы с жидким топливом, то пропадает основной плюс ЖТР (переработка онлайн).

[AtomInfo.Ru]

Посмотрел сейчас ещё раз, что есть в интернетах про расплав с висмутом.
(В библиотеках надо очень старые залежи поднимать, а старые издания могли, увы, и списать уже).

По такому топливу надо смотреть Брукхэвен.

Пожалуй, вот уран-висмутовый реактор в незамутнённо чистом расплавном виде. 1952 года концепция.
http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA297566

Т.к. дебилы из домена mil всё ещё борются с "русскими хакерами", ссылка может не открыться.
Поэтому кладу копию к нам на сервер.
http://atominfo.ru/files/atominfo/whatdoyouwant.pdf

В конце по ссылке есть сравнение расплавного реактора с растворным, который они называют aqueous homogeneous.
Под номером 3 среди недостатков растворного выделяют коррозию.

[Татарин]

Пожалуй, вот уран-висмутовый реактор в незамутнённо чистом расплавном виде. 1952 года концепция.
http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA297566

Ох, какой ужас даже для дилетанта - разветвлённый "нулевой контур" плюс ртуть в первом... Неудивительно, что в таком виде не выжило.

[AtomInfo.Ru]

Ох, какой ужас даже для дилетанта - разветвлённый "нулевой контур" плюс ртуть в первом... Неудивительно, что в таком виде не выжило.

Это 1952 год, причём январь, то есть, сам отчёт явно писался в 1951 году.

На тот момент, к ртути относились ещё с большим пиететом. Причину мы уже упоминали несколько раз - до войны среди обычных энергетиков была распространена идея о ртути как перспективном рабочем теле.

Нам (СССР) от момента выхода этого отчёта до собственного отрицательного опыта на БР-2 ещё несколько лет оставалось, например.

[AtomInfo.Ru]

Ну и кроме того, это по сути первые наброски Брукхэвена. Далее могли быть другие работы, уже более практичные.

В документе введение замечательное Например, про то, что создание АЭС "технически возможно".

[AtomInfo.Ru]

Вот, кстати, интересный пример технологической археологии

В брукхэвенском отчёте называется автор идеи о расплавном реакторе "уран-висмут" - Gale Young, инженер с хорошей теоретической подготовкой в одной из групп манхэттенского проекта:
G.Young, Outline of a Liquid Metal Pile, Report Mon-P-264, May 6, 1947

А далее видим следующий интересный момент.
В отчёте https://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/12771346 приводится небольшой текст с нужным нам номером (май с мартом перепутали, но пофиг).



И из этого текста видно, что идея-то была несколько иная.
Есть жидкое топливо, есть циркулирующий жидкий висмут, и два расплава разъединены бериллиевой стенкой!
Стенка из бериллия передаёт тепло от топлива к висмуту, а заодно играет роль замедлителя.

Хотя формально Янга можно считать автором, так как у него топливо представляет собой сплав с висмутом или свинцом.

[AtomInfo.Ru]

А вот в этом обзоре от Аргонна ANL-7138 можно найти ещё несколько интересных исторических отсылок.
https://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/4539024

In 1941, Halban and Kowarski suggested the use of a bismuth-uranium alloy as a nuclear fuel.

The alloy would be circulated outside the reactor for cooling in a heat exchanger.

Ссылка, увы, на неопубликованный отчёт.
Вполне возможно, что фон Гальбан и Коварский являются в таком случае первооткрывателями расплавных реакторов.
Янки могли об их работе не знать, потому что в 1941 году фон Гальбан и Коварский были в Англии, и их отчёты секретились.

[AtomInfo.Ru]

Следующий текст из аргоннского обзора:

By 1944, a pile in which the fuel is dissolved in liquid bismuth and the solution is circulated through the pile in beryllium tubes was being studied.

Вот это уже нормальный расплавный котёл (с бериллиевыми трубами, да!).

Ссылка: Angus MacDonald, A Study of the Uranium-Bismuth Alloy Circulating Fuel Reactor, NEPA-1783, NEPA Division, Fairchild Engine and Aviation Corp., Mar. 1, 1951.

Главной трудностью в этом реакторе видели удаление осколков деления.

[AtomInfo.Ru]

Так что идея расплавных реакторов очень старая, она появилась ещё до собственно появления первых реакторов вообще.
И к ней приложился даже бывший наш (не знаю, можно ли называть Коварского эмигрантом, ведь его увезли из Советской России в 10- или 11-летнем возрасте).

А вот почему программу в США закрыли? Как всегда, отрицательный опыт прячут в сейфы и с коллегами не делятся

Аргоннский обзор выделяет следующие основные недостатки:

Among the disadvantages of these fuels are:

• the low heat capacity of metals as compared with that of water;
• the greater difficulties of pumping liquid metals, some of which can be avoided by the use of electromagnetic pumps;
• corrosion and mass-transfer problems;
• and the low solubility of uranium in bismuth, requiring the use of highly enriched fuel.

Slurries are often used to attain high fuel concentrations, but such difficulties as settling out of the solid and erosion are encountered.

The high melting point of metals makes startup of a reactor difficult. The sodium-potassium alloy is, however, liquid at room temperature.

[AtomInfo.Ru]

То есть, выделяются четыре отрицательных момента.

1) По теплофизике расплав проигрывал воде (а это значит, что будут трудности при проектировании расплавных реакторов большой мощности).
2) Насосы (!), способные качать расплавленное топливо (вообще, если посмотреть старые публикации, насосы для жидких металлов доставляли в те времена немало головной боли даже для натриевых реакторов).
3) Коррозия и массопередача (ожидаемо).
4) Необходимость высокого обогащения по урану (видимо, поэтому появился плутоний-висмутовый проект?).

Ну и далее они говорят о трудностях при пусках.
Как показала практика, даже свинец-висмут, который плавится при относительно низкой температуре, доставил эксплуатации хлопот. А что бы было, пойди в серию расплавные реакторы?

[AtomInfo.Ru]

Скорее всего, надо бы учесть и моменты, касающиеся переработки.

Западники (США, Англия, Франция) имеют лёгкий доступ к океану, а вода - хороший разбавитель

То есть, одна из основных проблем водной переработки (куда девать грязную воду?) их касалась слабо, они её тупо могли сливать.
В таком случае идея переработки онлайн становилась менее актуальной. Наверняка этот фактор тоже был учтён при закрытии всех программ ЖТР на Западе.

[alex_bykov]

Один из моментов, отсылающих к выбору принятых решений по Фукусиме

[LAV48]

Один из моментов, отсылающих к выбору принятых решений по Фукусиме

Фукусима то не первая в данном опыте...

[Ultranauth]

Не знаю, насколько это коррелирует с проблемами жидкометаллических реакторов 50х, но сейчас в рамках проектирования термоядерных DEMO проводят довольно любопытные эксперименты с прокачкой Li-Pb эвтектик в условиях нейтронного подогрева (и его имитации ТЭНами) и магнитных полей. И оказывается, что CFD этого дела не правильная, точнее говоря, солверы разных физик плохо объединяются. Тут, конечно, магнитные поля и МГД, чего нет в реакторах ядерных, но подозреваю, что теплогидравлика + нейтроны в ядерном реакторе в 1950 были сопоставимым по сложности и непроработанности феноменом. В целом эту проблему отличает крайняя сложность декомпозиции и натурного моделирования (например, невозможно натурно повторить изменения основных гидродинамических чисел - Re, Nu и т.п. на малом масштабе). Понимают это сейчас - понимали и в 1950х.

[aprudnev]

Следующий текст из аргоннского обзора:
Вот это уже нормальный расплавный котёл (с бериллиевыми трубами, да!).

Ссылка: Angus MacDonald, A Study of the Uranium-Bismuth Alloy Circulating Fuel Reactor, NEPA-1783, NEPA Division, Fairchild Engine and Aviation Corp., Mar. 1, 1951.

Главной трудностью в этом реакторе видели удаление осколков деления.

А мне вот что интересно.

Расплавный реактор. Тот же Плутоний + Железо.

Осколки деления - разные металлы. А кто им мешает _не плавиться_ или _не растворяться_ а например оседать на трубах? Они же совсем не обязаны обладать такими же приятными химическими свойствами, как оригинальный расплав.

И нельзя ли их, с другой стороны, чисто химически прямо в реакторе куда то и собирать, пользуясь химическими отличиями? Ну типа - на какие то плавающие в расплаве пемзовые шарики (условно говоря)?

[LAV48]

И нельзя ли их, с другой стороны, чисто химически прямо в реакторе куда то и собирать, пользуясь химическими отличиями? Ну типа - на какие то плавающие в расплаве пемзовые шарики (условно говоря)?

Можно, достаточно подобрать какую-нибудь соль того же железа, которая будет обменивать ион железа на "осколок" и собирать из расплава этот самый осколок, например, молибден

[LAV48]

Вообще-то говоря, из расплава химическими путями добывать металлические осколки будет много сложнее, чем физическими способами (абсорбция, кристаллизация, возгонка - это всё физические процессы) и они в расплавах могут оказаться эффективнее химических.

[AtomInfo.Ru]

Осколки деления - разные металлы.

А также и в первую очередь - газы.

[AtomInfo.Ru]

И нельзя ли их, с другой стороны, чисто химически прямо в реакторе куда то и собирать, пользуясь химическими отличиями? Ну типа - на какие то плавающие в расплаве пемзовые шарики (условно говоря)?

Смысл? Устроить байпас в контуре (как в интервью) и прокачивать через байпас % от тепло/топливоносителя на очистку сделать проще. Самое главное - при этом мы не вносим возмущений в реактор и контур. Условные пемзовые шарики будут напрямую влиять на физику реактора, а очистка, поставленная на байпасе - не будет.

[Dobryak]

Можно, достаточно подобрать какую-нибудь соль того же железа, которая будет обменивать ион железа на "осколок" и собирать из расплава этот самый осколок, например, молибден

В расплавленном металле окалина всплывает наверх --- у нее плотность ниже, чем у расплавленного железа, а картошка в кастрюле борща опускается на дно....

[LAV48]

В расплавленном металле окалина всплывает наверх --- у нее плотность ниже, чем у расплавленного железа, а картошка в кастрюле борща опускается на дно....

Вот и хорошо, снимаем "пенку", а с ней и нужный изотоп

[Superwad]

Вот и хорошо, снимаем "пенку", а с ней и нужный изотоп

Народ, я уже писал на эту тему -концентрация, концентрация и еще раз концентрация. С какой концентрации у вас пойдёт реакция отделения нужного изотопа из расплава? Сколько времени понадобится, чтобы наработать нужную экономически выгодную) концентрацию выделяемого изотопа?
Минуты, часы дни, недели, месяцы, год? Может не выгодно это делать постоянно. а выгодно делать периодически, тупо выделяя ТВЭЛ на горячую переработку (вывел из реактора, выдержал - в горячей камере слил в емкость, отправил на переработку на завод, а в ТВЭЛ залил свежий расплав и в реактор).

[LAV48]

Народ, я уже писал на эту тему -концентрация, концентрация и еще раз концентрация. С какой концентрации у вас пойдёт реакция отделения нужного изотопа из расплава? Сколько времени понадобится, чтобы наработать нужную экономически выгодную) концентрацию выделяемого изотопа?

Мы никуда не торопимся, гоняем расплав через бочку реагента, гоняем реагент в бочке, как набралось - сменили реагент и на переработку. Главное вывод продукта из АЗ непрерывный.

[Superwad]

Мы никуда не торопимся, гоняем расплав через бочку реагента, гоняем реагент в бочке, как набралось - сменили реагент и на переработку. Главное вывод продукта из АЗ непрерывный.

Через бочку реагента - и получаем, из-за пониженной концентрации удаляемое вещество не выводится, а в растворе/расплаве накапливается реагент, ибо реакция не идет.Не хватает нужной минимальной концентрации (это как подкритичный реактор - вроде и есть делящийся материал, но для запуска реакции цепной его не хватает).
Так что тут не прокатит. Только периодическая перегрузка и замена, так будет и проще и дешевле.

[LAV48]

Не хватает нужной минимальной концентрации

Это как? Скорость химической реакции конечно зависит от концентрации, площади контакта реагентов и температуры, но потенциальных барьеров по концентрациям нету. Не надо путать с коррозионными процессами, где существуют пассивирующие плёнки.

Вот вы воду фильтром чистите, если чистую очищать - фильтр больше ресурс имеет, если грязную - меньше. Так и тут, от концентрации будет зависеть время накопления, но никак не возможность самого процесса выведения примеси из расплава.

[VBVB]

Народ, я уже писал на эту тему -концентрация, концентрация и еще раз концентрация. С какой концентрации у вас пойдёт реакция отделения нужного изотопа из расплава? Сколько времени понадобится, чтобы наработать нужную экономически выгодную) концентрацию выделяемого изотопа?
Минуты, часы дни, недели, месяцы, год? Может не выгодно это делать постоянно. а выгодно делать периодически, тупо выделяя ТВЭЛ на горячую переработку (вывел из реактора, выдержал - в горячей камере слил в емкость, отправил на переработку на завод, а в ТВЭЛ залил свежий расплав и в реактор).

По поводу очистки топливного контура ЖСР все уже ранее опробовано. Читайте первоисточники.
С металлическими топливными смесями аналогии одни и те же.

Грубо говоря, осуществление непрерывной очистки жидкометаллической топливной смеси от металлических/металлоидных осколков деления не представляет технической сложности, но не имеет практического смысла. Байпасный подход тут наиболее приемлем. Отвели часть загаженной топливной смеси в байпас, выдержали некоторое время для снижения радиоактивности и выделения РБГ разных, а затем смесь на дистилляцию и посследующий электрорепроцессинг отправили. Потом в очищенной смеси заново подняли содержание делящегося элемента до необходимого уровня и вновь топливную смесь в реактор. Одновременно на байпасах и переочистке может быть до 75-85% топливной смеси от общего количества загрузки в топливный контур.

Сообщение отредактировал VBVB - 25.1.2017, 13:22

[VBVB]

Вообще есть ощущение, что жидкометаллические топливные смеси применимы скорее для импульсных быстрых и суббыстрых реакторных установок.

По сути, в таких устройствах технически легко под действием гравитационных сил может производиться вытекание/выброс порции смеси в область цилиндрической или шарообразной активной зоны с эффективным отражением нейтронов. Прошедшая область деления и попавшая в барботер-охладитель топливная смесь после небольшой выдержкии и удаления РБГ может быть вновь использована.
Этакий нейтронный барстер упрощенной конструкции для лабораторий ядерных/материаловедческих. Также реактор такого типа можно приспособить под радионуклидное производство.

Сообщение отредактировал VBVB - 25.1.2017, 18:46

[Superwad]

Это как? Скорость химической реакции конечно зависит от концентрации, площади контакта реагентов и температуры, но потенциальных барьеров по концентрациям нету. Не надо путать с коррозионными процессами, где существуют пассивирующие плёнки.

Вот вы воду фильтром чистите, если чистую очищать - фильтр больше ресурс имеет, если грязную - меньше. Так и тут, от концентрации будет зависеть время накопления, но никак не возможность самого процесса выведения примеси из расплава.

Это правило с минимальной концентрацией стремящейся к 0 применима только к мембранному фильтру, где идет механическая очистка раствора, и то, что меньше диаметра поры, будет проскакивать вместе с очищенным веществом. Для водного фильтра мембранного вместе с водой проскакивают молекулы хлора, поэтому обязательно перед мембраной ставят угольный адсорбент. НО! Даже с адсорбентом и мембраной хлор будет проскакивать в очищенную воду, правда очень маленьких количествах .
Приведу пример с ионообменными смолами. Если концентрация в воде солей жесткости больше среднего, то на выходе будет очень много не прореагировавших солей жесткости. Поэтому ставят второй контур и т.д.
Так как я командую очистными сооружениями, то с высоты своей колокольни (как химик-технолог) и практик, могу сказать следующее: до определенной концентрации степень очистки в пределах заданной, но ниже минимально критического предела очищаемая вода не чиститься вообще, а к тому же загрязняется реагентом.
Поэтому да, чистить можно, но как я упомянул выше только с определенной концентрации и при пересечении двух кривых - концентрация удаляемого вещества - себестоимость