Исследователи из НИЯУ МИФИ совместно с коллегами из Института высокотемпературной электрохимии РАН и Уральского федерального университета изучили перспективный теплоноситель для ядерного реактора, представляющий собой смесь расплавленных солей — фторидов щелочных металлов и лантаноидов.
Работа опубликована в престижном международном Journal of Molecular Liquids.
Смесь расплавленных фторидов щелочных металлов и лантаноидов считается перспективным теплоносителем для ядерных реакторов нового типа, пояснил профессор кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Константин Катин.
«В отличие от традиционных теплоносителей, расплавленные соли могут иметь высокую температуру, выше 700 градусов Цельсия, при нормальном давлении, что обеспечивает высокий КПД реактора. А как известно из термодинамики, чем выше температура, тем лучше КПД.
Отсутствие высокого давления очень важно – это упрощает и удешевляет конструкцию реактора и делает его безопасным. К тому же жидкое топливо можно понемногу добавлять в активную зону, не останавливая реактор, что исключает возможность мощного взрыва», – рассказал он.
Ученый назвал еще одно преимущество реакторов, работающих на расплавах солей: они полезны для «дожигания» радиоактивных отходов. Один из таких реакторов сегодня строится Росатомом в Железногорске.
Константин Катин отметил, что для применения расплавленных солей важно знать их физико-химические параметры, в первую очередь, вязкость и теплопроводность. Однако их сложно измерять напрямую из-за высоких температур и радиоактивности смеси. Компьютерное моделирование для лантаноидов также не так просто выполнить, как для легких элементов.
«Мы провели многомасштабное моделирование смеси фторидов лития, натрия, калия, лантана и неодима. Используя релятивистские псевдопотенциалы для лантаноидов, мы определили законы их взаимодействия друг с другом и с другими атомами из первых принципов квантовой механики. На основе полученных данных мы подобрали параметры классического потенциала, в которые удалось «спрятать» всю сложность квантовой механики. Это позволило провести классическое молекулярно-динамическое моделирование, чтобы исследовать процессы теплопереноса в расплаве», – рассказал исследователь.
По его словам, механизм теплопереноса в расплавах сильно отличается от обычного фононного механизма, характерного для твердых тел. Часть тепла может переноситься за счет кратковременных ионных связей, время существования которых исчисляется десятками и сотнями пикосекунд, а также электромагнитными волнами, которые возникают при колебаниях ионов и поглощаются расплавом. С помощью подробного моделирования ученые определили зависимость теплопроводности и вязкости смеси от ее состава в диапазоне температур 750-1020 К, который соответствует рабочей температуре теплоносителя в реакторе.
«Разработанный нами многомасштабный подход будет полезен и для других фторидов лантаноидов и актиноидов, которые могут входить в состав ядерного топлива. Компьютерные исследования заменяют часть дорогостоящих и опасных экспериментов, необходимых для оптимизации работы реактора», – заключил Константин Катин.