Что такое реакторы на солевых расплавах?

В настоящее время на большинстве атомных электростанций мира используются реакторы с водой под давлением (PWR). В качестве теплоносителя в них используется вода, которая под высоким давлением подается в активную зону реактора. Там за счет энергии, высвобождаемой в результате деления ядер, происходит нагрев воды и образование пара, который приводит в движение турбины для производства электроэнергии.

Однако если в качестве основного теплоносителя использовать не воду, а соли, они смогут поглощать огромные объемы тепла при атмосферном давлении, благодаря чему реакторы, в которых используется эта технология, будут способны работать при очень высоких температурах. В свою очередь, это позволит производить высокотемпературное тепло и откроет возможности для декарбонизации промышленных процессов, таких как производство водорода для «зеленой» стали, без образования больших объемов парниковых газов (ПГ), которые выделяются при текущих процессах производстве водорода на основе ископаемого топлива.  

Во многих странах Европы и Центральной Азии с энергоемкими отраслями промышленности, в том числе Казахстане, России, Узбекистане и Украине, ЖСР могут снабжать высокотемпературным теплом производителей стали, аммиака, водородного топлива, а также химические производства. Казахстан, один из крупнейших в мире поставщиков урана, мог бы воспользоваться преимуществами работающих по принципу замкнутого ядерного топливного цикла ЖСР и извлекать максимальную пользу из своих природных ресурсов.

Международный интерес к ЖСР растет, поскольку такие реакторы потенциально способны обеспечивать большое количество эффективной и экономичной электроэнергии и производить высокотемпературное технологическое тепло для различных промышленных применений. Этими же преимуществами обладают высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (в которых в качестве теплоносителя вместо солевых расплавов используется газообразный гелий).

Узнайте о том, как ядерная энергия может заменить уголь в рамках перехода к экологически чистой энергетике

Первоначально ЖСР были разработаны в 1950-х годах. Некоторые более современные конструкции реакторов не предполагают использования твердого топлива, благодаря чему отпадает необходимость в его производстве и утилизации. При эксплуатации ЖСР с технологией жидкого топлива образуется меньше ядерных отходов высокого уровня активности, поскольку в таких реакторах глубина выгорания топлива выше, что приводит к меньшему количеству отходов. 

В целом ЖСР располагают также пассивными средствами обеспечения безопасности, то есть элементами конструкции, которые повышают ядерную безопасность за счет естественных физических принципов без необходимости вмешательства человека. Например, если ЖСР перегревается, жидкие соли расширяются и естественным образом увеличивают утечку нейтронов из активной зоны реактора, а значит, эти нейтроны больше не могут вызывать реакцию деления. Это снижает скорость деления ядер и температуру. Некоторые реакторы ЖСР оснащены специальным баком-накопителем, который расположен непосредственно под реактором. Если реактор чрезмерно перегревается, плавится предусмотренная в нем пробка из замороженной соли, и расплавленные соли стекают в бак-накопитель, таким образом полностью останавливая реакцию без необходимости вмешательства оператора или наличия внешнего питания.

Уран, плутоний и торий могут быть растворены в соответствующих солевых составах, что означает, что реакторы ЖСР потенциально могут быть адаптированы к различным ядерным топливным циклам (например, уран-плутониевому и торий-урановому), обеспечивая их большую устойчивость. Более эффективное использование плутония позволило бы избежать образования большей части отходов, которые в настоящее время образуются в результате использования этого топлива в легководных реакторах. Кроме того, запасов тория в природе в три раза больше, чем урана, и его легче добывать.

Узнайте больше об уране из нашего материала серии «Что есть что в ядерной сфере».

Сегодня в разработке находятся две основные конструкции ЖСР. В первой конструкции используются традиционные твердотопливные стержни, а в качестве теплоносителя вместо воды выступают солевые расплавы. Вторая конструкция предполагает модель работы на жидком топливе, когда делящийся материал (уран или торий) растворен в теплоносителе на основе солевого расплава. В этих жидкотопливных конструкциях продукты деления растворяются в солевых расплавах, которые способны циркулировать внутри активной зоны реактора, где в процессе реакции деления выделяется тепло. Затем тепло передается во второй контур, где приводит в движение турбину для производства электроэнергии. В разработке находится также еще одна разновидность этой конструкции, которая предполагает загрузку топлива в виде расплавов солей в герметичные металлические трубы и повторное использование солей в качестве теплоносителя.

Применение ЖСР в отдаленных и промышленных районах может повысить энергетическую безопасность в долгосрочной перспективе, в частности на арктических территориях, где необходимы стабильные и высокоэффективные реакторы.

В настоящее время в разработке находятся несколько конструкций ЖСР. Хотя в основе многих новых конструкций лежат те же принципы, что были разработаны в ходе проведенного в 1960-х годах в Окриджской национальной лаборатории в США эксперимента по жидкосолевым реакторам, как, например, применение пробки из замороженной соли, вместе с тем рождается также множество новых идей, которые необходимо исследовать, развивать и подтверждать. К ним относятся, в частности, различные топливные циклы, различные топливные соли, а также модульные конструкции, которые позволят собирать системы и компоненты на заводе и перевозить их единым блоком на место монтажа.

Во второй половине 1970-х годов в Советском Союзе исследования в области ЖСР начал проводить Курчатовской институт, где основное внимание уделялось материалам контейнеров, коррозионной стойкости и облучению топливных солей. И хотя в то время эти ранние изыскания не нашли применения в промышленности, они тем не менее пробудили растущий интерес к ЖСР как к устойчивому варианту использования ядерной технологии.

В 2023 году в Канаде проект малого модульного реактора (ММР) на основе расплавов солей прошел важнейшую процедуру рассмотрения проекта поставщика, которая предшествует лицензированию, и это первый случай, когда подобная экспертная оценка была выполнена в отношении ЖСР. В 2024 году Росатом завершил работу над эскизным проектом нового исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР), который предназначен для трансмутации минорных актинидов — компонентов ядерных отходов с наибольшим периодом полураспада и высокой радиотоксичностью. Получение лицензии на строительство намечено на 2027 год, а ввод в эксплуатацию — на 2031 год. Продолжается работа по другим проектам, в том числе в Китае и США, и есть надежда, что внедрение реакторов ЖСР может начаться уже в середине 2030-х годов.

Выделяются четыре класса ЖСР и шесть основных семейств реакторов. Подробнее об этом читайте в докладе «Status of Molten Salt Reactor Technology» («Состояние развития технологии реакторов на солевых расплавах»).

Многие ключевые проблемы, связанные с ЖСР, пока не решены. Еще не разработаны нормы в области проектной безопасности и перевозки топливных солей, и только предстоит создать цепь поставок реакторных компонентов специально для ЖСР. Кроме того, в целом недостаточно проработан анализ потенциальных, характерных только для ЖСР сценариев аварии, поэтому необходимо также провести дополнительные эксперименты и испытания для демонстрации безопасности. Необходимо продолжить изучение изменения химического состава топливных солей по мере выгорания, а также принципов удержания радионуклидов в обычных и аварийных условиях.

• МАГАТЭ оказывает содействие в разработке и внедрении ЖСР путем реализации целого ряда инициатив, включая технические совещания и семинары-практикумы.
• В 2023 году МАГАТЭ совместно с Агентством по ядерной энергии Организации экономического сотрудничества и развития (АЯЭ/ОЭСР) организовало в Вене международный семинар-практикум по химии топливных циклов в контексте технологии реакторов на солевых расплавах и выпустило публикацию «Status of Molten Salt Reactor Technology» («Состояние развития технологии реакторов на солевых расплавах»).
• 22–25 апреля 2025 года в Центральных учреждениях МАГАТЭ в Вене, Австрия, состоится техническое совещание по реакторной физике и термогидравлике реакторов на солевых расплавах и проектированию станций с реакторами такого типа.
• В 2022 году началась реализация Инициативы по гармонизации и стандартизации в ядерной области (ИГСЯО), в рамках которой рассматриваются пути к ускоренному внедрению усовершенствованных реакторов, включая ЖСР, посредством гармонизации подходов к регулированию и промышленной стандартизации.
• МАГАТЭ готовит публикации о состоянии развития технологии ЖСР.
• МАГАТЭ пополняет также Информационную систему по усовершенствованным реакторам (ARIS), которая представляет собой веб-платформу, где собрана информация, включая технические данные и другие характеристики, обо всех усовершенствованных реакторах в стадии разработки.