Термообработка в расплавах солей — Термохим

Жидкосолевой реактор на ГХК планируют запустить к 2031 году

В конце прошлого года «СР» сообщила о старте проектирования первого в России исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР) для отработки технологии дожигания долгоживущих отходов ядерной энергетики — ​минорных актинидов. О технических особенностях инновационной установки и перспективах проекта рассказали специалисты организации — ​главного конструктора ИЖСР: заместитель гендиректора НИКИЭТ им. Доллежаля по НИОКР Александр Лопаткин и главный конструктор исследовательских и изотопных реакторов Игорь Третьяков.

— Для ученых-атомщиков и специалистов НИКИЭТ в частности тематика ЖСР совершенно новая или уже есть какие-то наработки?

Александр Лопаткин: Тематика жидкосолевых реакторов развивается в мире довольно давно — ​с 1960-х годов, но это не реализованная в промышленном виде технология. С одной стороны, она сулит большие преимущества. Для реактора на расплаве солей не надо изготавливать и перерабатывать тепловыделяющие элементы и топливные сборки. С другой — ​где преимущества, там и недостатки. Использование расплавленного топлива означает, что установка лишена привычных барьеров безопасности: нет твердой матрицы, оболочки, контура циркуляции. Это требует особо пристального внимания и, возможно, новых подходов к обоснованию безопасности ЖСР. Надо понять, насколько концепция этой установки вписывается в существующую нормативную базу, разработанную для реакторов с твердым топливом. Первые же наши проработки показали, что обосновать безопасность можно, но, вероятно, нужно будет дополнить или подправить нормативную базу.

В России головной организацией по направлению жидкосолевых реакторов является НИЦ «Курчатовский институт», который с 1970-х годов занимался этой тематикой. Даже когда тематику не финансировало государство, центр находил возможность ее поддерживать. Мы в НИКИЭТ по поручению Николая Доллежаля до начала 1990-х годов занимались созданием быстрого жидкосолевого реактора. Было разработано техническое предложение и эскизный проект установки на расплавах хлоридных солей, но потом финансирование этих работ прекратилось.

— Почему сейчас эта тематика снова стала акту­альной?

А. Л.: С середины 2000-х годов в России начаты работы по созданию опытно-демонстрационного центра по переработке ОЯТ на Горно-химическом комбинате. При переработке топлива образуются минорные актиниды. Что с ними делать — ​вопрос до сегодняшнего дня не решенный. Лет пять — семь назад в Курчатовском институте родилась идея: построить на ГХК, рядом с центром по переработке, жидкосолевой реактор-дожигатель, который будет решать проблему актинидов, когда потребуется их утилизировать в промышленном масштабе. Мощность такого ЖСР может быть от 1,5 до 2,5 ГВт. Но сначала надо отработать технологию. С этой целью в 2019 году в «Росатоме» принято решение для начала построить на ГХК исследовательский реактор небольшой мощности, а также комплекс производства и переработки топлива для него. НИКИЭТ определен главным конструктором жидкосолевой исследовательской реакторной установки. Предполагается, что научным руководителем ЖСР-проекта станет Курчатовский институт.

— Работы финансируются в рамках единого отраслевого тематического плана НИОКР?

А. Л.: Да, с 2019 года. До этого много лет мы помогали Курчатовскому институту в разработке большого ЖСР: проводили расчеты, делали конструктивные схемы. Но работа именно по заказу госкорпорации началась с прошлого года.

— Расскажите о технических характеристиках проектируемой установки.

Игорь Третьяков: Тепловая мощность исследовательского жидкосолевого реактора составит не более 10 МВт. По рекомендации Курчатовского института выбран тип соли — ​на основе фторидов лития и бериллия (FLiBe). В ней будут растворять тетрафториды плутония и минорных актинидов, это и будет топливом реактора. Выбран основной конструкционный материал для наиболее нагруженных элементов установки: корпуса, трубопровода, теплотехнического оборудования и т. д. Это сплав, на 80 % состоящий из никеля. Его разработали специалисты Курчатовского института и «ЦНИИчермета». Ученые исследовали коррозионные свойства взаимодействия топливной соли с этим материалом, поэтому пока выбрали его — ​сроки реализации технического проекта очень сжатые, надо идти по наиболее ясному пути. Но вполне возможно, что по результатам НИОКР мы рассмотрим и другие материалы, и другие соли.

ИЗ ИСТОРИИ

Единственный в мире ЖСР работал в 1960-е годы в Ок-Риджской национальной лаборатории. Реактор MSRE (Molten-Salt Reactor Experiment) обладал тепловой мощностью 7,4 МВт, топливом служил раствор фторидов урана в расплаве солей лития, бериллия и циркония. Спектр нейтронов у MSRE был тепловой. Реактор отработал пять лет, но затем его остановили из-за нерентабельности, а программу исследований закрыли.

— Где и как будут испытывать топливо для жидкосолевого реактора?

А. Л.: Коррозионные испытания без топлива, с имитаторами продуктов деления, уже начал Курчатовский институт на своих стендах. Есть в рамках проекта программа разработки облучательных ампул, которые будут заполнять топливной солью и испытывать в реакторах НИИАР и ИРМ. В 2024 году или чуть позже будет создана петлевая установка — ​можно сказать, фрагмент жидкосолевого реактора. Возможность создания ЖСР-петли заложена в проект сооружаемого реактора МБИР, но, в принципе, можно ее сделать и на действующих реакторах НИИАР — ​СМ или МИР. Или же на реакторе ИВВ‑2М в Институте реакторных материалов.

Читайте также:  Диагностический разъем Опель

— Этот реактор будет только дожигателем или энергию он тоже будет производить?

А. Л.: Пока такой задачи перед нами научный руководитель не ставит. Вот если после исследовательского появится большой промышленный реактор, там будет, естественно, турбина, он будет давать около 1000 МВт. В исследовательских реакторах турбинная часть всегда входит в некоторый конфликт с исследовательской программой: исследования краткосрочные, а производство электроэнергии — ​это постоянный, стабильный процесс. Но мы будем работать в тесном контакте с ГХК, не исключено, что в процессе разработки будет решено обеспечить генерацию 2–3 МВт энергии — ​тогда будем добавлять турбину, хотя это, бесспорно, повысит стоимость сооружения ИЖСР.

— Каковы сроки реализации проекта?

И. Т.: В 2024 году мы должны закончить технический проект установки. К этому моменту надо знать полный состав оборудования, определить стоимость сооружения, чтобы будущий инвестор знал, во сколько обойдется строительство и эксплуатация ИЖСР с модулем переработки топлива. А ГХК в 2024 году должен получить лицензию на размещение. Это значит, что существенную часть обосновывающих НИОКР мы должны выполнить тоже до 2024 года. Таковы задачи, которые ставит перед разработчиками госкорпорация.

А. Л.: Затем в 2027 году планируется получить лицензию на строительство, а в 2031 году этот реактор пустить на Горно-химическом комбинате.

— Давайте вернемся к обоснованию безопасности. Как все-таки будете доказывать, что реактор безопасен, если снимаются три барьера безопасности из четырех?

А. Л.: Конечно, нужно очень позаботиться о радиационной безопасности. Скорее всего, реактор будет построен в подгорной части комбината, на месте бывшего машинного зала подземной АТЭЦ — ​место само по себе уже достаточно изолировано от внешней среды. Я подчеркиваю, что мы не снимаем барьеры безопасности. Мы заменяем одни барьеры другими. Одно из наших предложений — ​поместить реакторную установку в герметичную капсулу. Это еще один новый барьер безопасности.

Жидкосолевой реактор имеет отрицательный коэффициент реактивности, так что с точки зрения доказательства ядерной безопасности проблем не предвидится. Естественно, система управления реактором будет выполнена в полном соответствии с современными нормативными требованиями.

— Какие организации помимо НИКИЭТ и Курчатовского института участвуют в проекте?

А. Л.: ВНИИНМ им. Бочвара отвечает за создание топливного цикла ЖСР: изготовление, переработку топлива и обращение с радиоактивными отходами. НИИАР будет заниматься радиационным облучением и послереакторными исследованиями материалов. РФЯЦ-ВНИИТФ поможет расчетами, нейтронно-физическими экспериментами, а также намерен войти в программу по коррозионным испытаниям материалов — ​у них есть для этого специальная установка. В ФЭИ планируется сделать нейтронно-физический стенд для обоснования кодов безопасности. Это основные контрагенты, а вообще их очень много.

— Стратегия развития российской атомной отрасли, принятая в 2018 году, предполагает, что к концу века ядерная энергосистема станет двухкомпонентной, ее основу составят быстрые и тепловые реакторы. А какую роль будут играть ЖСР?

А. Л.: ЖСР в этой стратегии пока нет, но председатель научно-технического совета «Росатома» академик Георгий Рыкованов уже поставил задачу рассмотреть возможную роль такой установки в атомной отрасли. Жидкосолевые реакторы могут стать решением проблемы высокоактивных долгоживущих отходов на площадке переработки топлива. Со всех реакторов ВВЭР топливо перевозим на ГХК. Там его перерабатываем и делим на части: уран, плутоний возвращаем потребителям, минорные актиниды дожигаем, продукты деления размещаем на временное хранение, и далее они будут захораниваться. Таким образом, в энергетике будущего ВВЭР и быстрые реакторы станут основными поставщиками энергии. Быстрые реакторы будут также воспроизводить делящиеся материалы для себя и для ВВЭР. А жидкосолевые реакторы станут разбираться с актинидами.

Если проект исследовательского реактора окажется успешным, технология ЖСР, безусловно, получит развитие. Возможно, будет воплощена старая концепция быстрого реактора на расплавах солей. У ученых Курчатовского института и НИКИЭТ есть идея сделать бланкет на расплавах солей для термоядерного реактора. Очень важно, что госкорпорация поддержала эту технологию. Если у нас все получится, приложений может быть множество.

И. Т.: Было бы правильно завершить нашу беседу словами благодарности Курчатовскому институту, его специалистам, которые более двух десятилетий своими работами поддерживали жидкосолевую тематику, что позволяет проекту ИЖСР стартовать с достаточно проработанной базы расчетных данных.

Справка

Жидкосолевой реактор, или реактор на расплавах солей, — ​это установка, в которой активную зону формирует гомогенная расплавленная смесь из фторидов солей и фторида делящегося материала (урана, плутония или тория). Топливная композиция одновременно служит теплоносителем первого контура. ЖСР обладает свойством естественной безопасности: температурный и пустотный коэффициенты в нем отрицательные, что исключает тяжелые аварии типа чернобыльской. Температура в активной зоне очень высокая, порядка 700 °C, но давление в контуре отсутствует, что повышает безопасность реактора.

Читайте также:  Логан то 75000 перечень работ

Алексей Ананьев

главный научный сотрудник ВНИИНМ, руководитель проекта по созданию топливного цикла ЖСР

— Топливом для реактора на расплавах солей будет тетрафторид плутония из переработанного топлива реакторов ВВЭР, растворенный в смеси фторидов лития и бериллия (соль FLiBe). В смесь также будут добавлять фториды минорных актинидов для их выжигания. Мы долго обсуждали, какую композицию выбрать: соль на основе фторидов лития, натрия и калия FLiNaK или FLiBe. У FLiNaK есть преимущество — ​растворимость делящихся материалов в ней выше. Но пока нет готового конструкционного материала, коррозионно-устойчивого к расплаву фторидов лития, натрия и калия. FLiBe менее активна в отношении тех материалов, которыми мы уже располагаем. Поэтому пока выбрали ее. Но FLiNaK остается в проекте как запасной вариант, потому что работы по созданию новых конструкционных материалов не прекращаются. Возможно, в процессе развития работ по проекту перейдем на эту композицию.

У жидкосолевых реакторов нет ограничений по глубине выгорания топлива, потому что отсутствуют твэлы и их оболочки. Но нужно периодически чистить топливную композицию, чтобы сохранять нейтронно-физический и реактивностный баланс. ВНИИНМ разрабатывает технологию трехстадийной экстракции «вредных» компонентов из ОЯТ ЖСР. Она будет основана на извлечении компонентов топливной соли из расплава при помощи жидкого висмута. В висмут вводится восстановитель — ​металлический литий. На первой стадии экстрагируем продукты коррозии, на второй — ​остаточный плутоний и минорные актиниды (они сгорают в реакторе, но не на 100 %), на третьей — ​лантаниды. Переработанное топливо возвращается в цикл.

В процессе переработки топлива будут образовываться в основном относительно короткоживущие РАО: цезий, стронций, цирконий, молибден. Период полураспада этих радионуклидов — ​30–50 лет. То есть через 500 лет остаточная радиоактивность таких РАО станет ничтожной. Это разумный срок для контролируемого приповерхностного хранения, оно обойдется гораздо дешевле и будет безопаснее, чем глубинное захоронение минорных актинидов.

Цементация в расплавах солей

Фирма ООО «Термохим», помимо газовой цементации, предоставляет услугу химико-термической обработки — цементации в жидких средах. Используемый расплав солей представляет собой смесь, которая, как правило, состоит из поставщиков углерода, цианидов щёлочей, активаторов в виде хлорида бария, а также хлоридов и карбонатов щелочи(Na2CO3/ K2CO3; KCl/NaCl; BaCl 2; NaCN/KCN; NaOCN/KOCN). Реакции, протекающие в расплаве, упрощёно, представлены ниже: поставщик углерода цианид (например NaCN) , благодаря окислению с помощью кислорода, распадается на карбонат, оксид углерода и азот (1):

Активатор (например, BaCl2) действует как катализатор и ускоряет окисление цианида. Образование углерода происходит аналогично, как при процессах цементации в других средах:

Из реакции (1) видно, что при высоких температурах насыщения (930-950°С) в основном диффундирует углерод (рис.1), в меньшей степени азот, а при более низких температурах (830-870°С) уже азот.

Рис.1.Переход углерода на границе поверхностей расплава солей и детали

Схема процесса Durofer.

Образовавшийся в результате окисления карбонат Na2CO3 ,далее, при добавлении в ванну регенератора, превращается в нового поставщика углерода (рис.2).

Результат процесса цементации в расплавах солей, в основном, зависит от следующих факторов:

Процесс науглероживания детали проходит в экологически чистой линии оборудования, представленной ниже. Все печи технологической линии снабжены бортовыми отсосами, в результате все выходящие газы проходят влажную очистку в скруббере.

Процесс науглероживания (Durofer) состоит из следующих, ниже описанных, шагов:

1.Предварительная чистка.

Эта часть процесса проводится для удаления остатков после механической обработки с поверхности детали, которые могут препятствовать диффузии и загрязнять расплав.

2.Подогрев.

Подогрев обычно проводится при температурах 300-450 o С на воздухе, в печи подогрева( №1.на рис. 3), далее следует избегать чрезмерного снижения температуры перед опусканием в расплав соли, для стабильности результатов. Также подогрев проводится с целью соблюдения безопасности при погружении детали в расплав. Попадание влаги и капель воды в расплав соли очень опасно для персонала.

Рис.3.Экологически чистая линия оборудования для процессов в расплавах солей

Рис.4 Глубина цементованного слоя в зависимости от температуры и времени обработки.

3.Цементация.

Процесс цементации протекает в интервале температур 850-950 o С, в печи-ванне (№2.на рис.3), преимущественно назначаются температуры 920-940 o С. Обычно время обработки составляет 2-8 часов. Кинетика процесса цементации подчиняется параболическому закону, а зависимость толщины слоя от температуры эскпоненциальному.

4.Закалка.

Окончательные свойства цементированной детали придаёт последующая термообработка. Существует несколько окончательных вариантов (рис.5):

Рис.6.Граффик времени, температуры при охлаждениив расплаве солей.

Варианты проведения закалки после процесса цементации

При первом варианте, непосредственной закалке (А), после цементации, деталь охлаждают от температуры цементации, или после предварительного подстуживания, в ванне с расплавом при температуре примерно 200 o С (№3 на рис.3), а далее после небольшой выдержки, охлаждают на воздухе, где и происходит превращение из аустенита в мартенсит. Данный метод применяют в основном для неответственных деталей, простой формы.
При втором варианте (В), деталь, после цементации, остывает в охлаждающем колодце. Далее деталь нагревают до температуры закалки поверхности(780-850 o С) или до температуры закалки сердцевины(850-900 o С) и делают выдержку при этой температуре, пока не прогреется сердцевина детали, затем охлаждают в ванне с расплавом при температуре примерно 200 o С (№3 на рис.3). Особая разновидность этой закалки, изотермическая закалка (С). При этом процессе после цементации делается промежуточный отжиг в расплаве солей, при температурах 580-680 o С, при этом углерод в избытке, и выделятся в форме мелких карбидов железа.

Читайте также:  Сколько денег находится в национальной казне России

Для особо ответственных деталей или деталей из сталей сложного химического состава принято применять двойную закалку(D), причём первая закалка проводится при температуре закалки сердцевины, а вторая при температуре закалки поверхности.

При этом процессе деталь, прошедшая цементацию, охлаждается в расплаве солей, температура которого немного выше температуры начала мартенситного превращения, и выдерживается. Причём скорость охлаждения выбирается в зависимости от того, какую структуру нам надо получить феррит, перлит или бейнит. На этой стадии процесса происходит выравнивание температур сердцевины и поверхности, и затем деталь медленно охлаждается на воздухе, где происходит мартенситное превращение. Благодаря прохождению данного процесса в ванне, массовые и форменные изменения не значительны. К тому же этот процесс способствует выведению с детали остатков цианида.

Благодаря такому режиму охлаждения(в ванне при Т=200 o С,а потом в специальном колодце), мартенситное превращение происходит в самых благоприятных условиях, вносятся минимальные термические напряжения, поэтому изменение геометрии незначительно, в пределах допуска чертежа. Схема данного охлаждения в печи-ванне представлена на рис.6.

5.Отпуск.

После закалки проводится отпуск. Этот процесс делается для стабилизации структуры и снижения опасности появления трещин (снятия остаточных напряжений) и целесообразно проводить в той же ванне, в которой производили закалку. Проводить отпуск в другой печи, например камерной, также возможно. Разумеется, в этом случае, необходимо отчистить деталь от остатков соли. Температура отпуска и время выдержки назначаются исходя из требуемых свойств.

6.Очистка/консервация.

После обработки на детали остаются остатки соли, которые должны быть удалены, так как они могут в дальнейшем способствовать развитию на поверхности коррозии. Детали промываются в горячей воде и погружаются в антикоррозионное средство.

Преимущества цементации в расплавах солей:

  • Высокая скорость насыщения углеродом.
  • Термические напряжения значительно ниже, чем при газовой цементации.
  • Расплавы солей гарантируют равномерность температур.
  • Поводки после обработки в пределах допуска чертежа.
  • Цементация в расплавах солей очень гибкий процесс. Можно обрабатывать детали из разных материалов, с разными режимами в одних и тех же ваннах.
  • Расплавы можно использовать для процессов закалки, отжига, а также карбонитрации.
  • Более низкие затраты по сравнению с цементацией в плазме и вакууме.
  • Устранение цианидов с деталей (прилипшая соль) происходит при закалке в нитрит/нитрат содержащих ваннах.
  • Строго соблюдаются требования по количеству содержанию в воздухе вредных веществ.

Процесс находит широкое применение для различных деталей.
Часто используется для упрочнения шестерен с различными модулями. При обработке шестерни из материала 16MnCr5 (русский аналог 18ХГТ) получаются очень высокие свойства. Детали цементируются в соли немецкого производителя Durferrit (Cecontrol80).После обработки толщина слоя варьируется в интервале 0,6-2 мм.

Возрожден проект ядерного реактора на расплавах солей тория

Специалисты голландской компании NRG начали испытания процесса ядерного деления с использованием ториевых солей, первые за 40 лет, с тех пор как в 1970-х был завершен эксперимент, который проводила Оук-Риджская национальная лаборатория США.

Торий обладает некоторыми преимуществами перед ураном, который используется в большинстве современных ядерных реакторов. Он считается более безопасным, а жидкосолевые реакторы (ЖСР) проще в конструкции, долговечнее и позволяют производить замену топливных элементов без остановки реактора. Однако, скептики считают, что относительно более низкая стоимость урана делает ЖСР экономически невыгодными.

Для того чтобы проверить это, ученые NRG проводят испытания нескольких конструкций жидкосолевых реакторов на тории в ограниченном масштабе. Первый по плану эксперимент Salient-1, который использует смесь фторида лития и фторида тория в реакторе на быстрых нейтронах, сможет, в теории, потреблять отработанное ядерное топливо, которое возникает при обычной реакции деления урана.

«Это многообещающая технология для крупномасштабного производства энергии. Мы хотим быть первыми, когда она совершит рывок вперед. В долгосрочной перспективе она окажется коммерчески выгодной, как нам кажется», — говорит Сандер де Гроот, представитель NRG.

Интерес к реакторам на расплавах солей в последнее время возрастает, пишет MIT Technology Review. В то время как урановые АЭС переживают не лучшие времена, несколько молодых инновационных компаний исследуют возможности ЖСР. В частности, большие надежды на них возлагает Китай, который планирует подключить первую такую электростанцию к энергосети в ближайшие 15 лет.

Ссылка на основную публикацию
Температура горения бензина когда происходит вспышка и кипение топлива
Температура кипения, горения и вспышки бензина АвтоЖидкость Любой, кто решит отыскать информацию о температуре кипения, горения или вспышки бензина обнаружит...
Таможенные пошлины на электромобили в России с 2020 года
Растаможка электромобилей в Киеве, растаможить электрокар, цена на растаможку Растаможка электромобилей в Киеве, растаможить электрокар, цена на растаможку Завоз в...
Таможенные правила Эстонии в 2019 году что можно и что нельзя провозить
Очередь на границе Эстонии с Россией в 2020 году как забронировать онлайн Граждане России, планирующие путешествие в Эстонскую Республику на...
Температура горения дров таблицы сравнительных характеристик
Как правильно топить дровами 9 способов продлить горение дров, увеличить теплоотдачу и экономить дро Одно и то же количество дров...
Adblock detector