Исследователи НИЯУ МИФИ в составе научной группы изучили с помощью компьютерного моделирования и экспериментов кинетические свойства смеси расплавленных солей LiF-NaF-KF (FLiNaK) с добавкой фторидов лантаноидов. Полученные данные могут быть использованы для проектирования жидкосолевых реакторов и моделирования их функционирования.
Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Journal of Physical Chemistry. Концепция жидкосолевого реактора (ЖСР) – одного из видов ядерных реакторов деления – зародилась еще в 1960-х годах, но промышленная технология их создания до сих пор не реализована в полной мере. Топливо для таких реакторов состоит из носителя (смеси расплавленных фтористых солей), и растворенного в нем делящегося материала.
При этом расплавы солей должны иметь низкую температуру плавления, которая обеспечивает рабочую температуру реактора, небольшую коррозионную активность, высокую теплоемкость и электропроводность, низкую вязкость. Также они должны быть стабильными и совместимыми с конструкционным материалом теплообменников, обладать подходящими гидродинамическими свойствами, иметь низкое давление паров в широком рабочем диапазоне.
В качестве солей-носителей исследователи преимущественно рассматривают смеси фторидов щелочных и щелочноземельных металлов, таких как LiF-BeF2 (FLiBe) и LiF-NaF-KF (FLiNaK). Оба расплава обладают подходящими физико-химическими свойствами. Однако смеси бериллия требуют особого обращения из-за токсичности. По этой причине, а также из-за высокой растворимостм делящихся материалов, FLiNaK стал основной альтернативой FLiBe. В то же время кинетические характеристики FLiNaK на сегодняшний день недостаточно изучены, считают ученые НИЯУ МИФИ. По их мнению, это приводит к затруднениям при проектировании и эксплуатации ядерной установки с использованием этой солевой смеси.
Исследователи НИЯУ МИФИ проанализировали кинетические свойства смеси FLiNaK, содержащей фториды церия и неодима, в температурном интервале, охватывающем рабочие температуры жидкосолевого реактора. Они предположили, что менее опасные фториды лантанидов (CeF3 и NdF3) могут заменить фториды актиноидов (тория и урана) в солевом расплаве FLiNaК, а полученная смесь может служить перспективным растворителем для ядерных отходов, обеспечивая быстрое разложение радиоактивных элементов и хороший теплоотвод.
При выполнении компьютерного моделирования в рамках метода молекулярной динамики ученые применяли многомасштабный подход, рассказал профессор Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) НИЯУ МИФИ Михаил Маслов. По его словам, длительные молекулярно-динамические вычисления проводились с использованием классического межатомного потенциала взаимодействия, параметры для которого ученые определяли из результатов ресурсоемких прецизионных расчетов, задействовав строгий аппарат квантовой механики.
«В результате нам удалось добиться прекрасного соответствия рассчитанных и измеренных характеристик растворов церия и неодима в расплавленных солях. В первую очередь, это зависимости коэффициента самодиффузии и сдвиговой вязкости от температуры», – отметил ученый.
Самодиффузия представляет собой частный случай диффузии в растворе постоянного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества. Проще говоря, это процесс перемещения молекул среди себе подобных. Сдвиговая вязкость характеризует способность материалов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
«Понимание зависимости этих характеристик от температуры необходимо для оценки и прогнозирования поведения расплавов фторидов лития, натрия, калия (FLiNaK) в качестве топливного компонента жидкосолевых реакторов», – пояснил Михаил Маслов. Исследователи установили, что коэффициенты самодиффузии ионов в расплавленном FLiNaK зависят не только от их атомных весов, но и от концентрации компонентов в расплаве. В частности, высокое значение коэффициента самодиффузии для ионов фтора как раз обусловлено их высокой концентрацией в FLiNaK.
Кроме того, они подтвердили необходимость корректировки формулы Стокса-Эйнштейна, которая связывает сдвиговую вязкость с коэффициентом самодиффузии, применительно к компонентам расплава FLiNaK. Исследования проводились в температурном интервале, охватывающем рабочие температуры реактора на расплавах солей, и при соответствующих концентрациях добавок. По мнению ученых, это позволит использовать разработанные межатомные потенциалы и полученные данные для проектирования жидкосолевых реакторов и моделирования их функционирования.