Если перейти сразу к сути, современные реакторы, – все, кроме считанного количества экспериментальных, – можно назвать «твердофазными». Ядерное горючее в них находится в твёрдом агрегатном состоянии. Конкретно же в форме «шайб» – таблеток с центральным отверстием. Шайбы столбиком набиваются в многометровую циркониевую трубку, сборка же – сноп – таких трубок и есть – ТВЭЛ – «тепловыделяющий элемент». Почему практика именно такова, – вопрос отдельный. В данном контексте важны недостатки использования твёрдого горючего.
...Проблема в том, что срок службы ТВЭЛ ограничен. Трубки находятся в исключительно агрессивной среде. В наиболее распространённых водо-водяных реакторах они погружены в перегретую до 320 градусов и находящуюся под давлением 160 атмосфер воду, – а это лютейший, запредельной эффективности растворитель, и очень активное химически вещество. При том, сами сборки находятся внутри котла, где до них никак не добраться до остановки реактора. И подвергаются, помимо нейтронного облучения (распад нейтронов ведёт к «вздутию» – к образованию пузырьков водорода в металле), под воздействием газов и активных химически веществ выделяющихся при распаде ядер урана. Внутри трубок, кроме ядерного пламени, рождаются и новые химические элементы, занимающие больший, чем уран, объём (по этой причине в «шайбах» и делается отверстие)… Народившиеся же атомы вступают в реакции между собой с результатами, практически, непредсказуемыми.
Прежде чем трубки утратят прочность, их приходится извлекать и размалывать, – так начинается мучительный этап переработки ядерных отходов. Уйти от этого позволяет только гомогенный реактор, – без ТВЭЛ. Вопрос в том, как эту идею реализовать.
Простейший способ, – реактор на растворе солей. Высокообогащённый уран растворяется в замедлителе – воде. Продукты распада в таком случае сами покидают активную зону, выходя в виде газов или выпадая в осадок. Однако, из-за низкой плотности горючего в растворе ничего путного из данной идеи выжать не получилось. Хотя, основанные на данном принципе лабораторные реакторы существуют давно.
Более перспективной представляется конструкция реактора, в которой горючее присутствует в виде расплава… И тут нет причин вздрагивать. Сам уран относительно тугоплавкий металл – 1405 градусов. Но реактор-то «на расплаве солей». В соединении с литием и фтором уран плавится при 650 градусах. Расплав течёт по трубе, свивающейся спиралью в активной зоне, где реакция разжигается замедлителем, – водой. Вода же, нагреваясь, кипит и выполняет функции рабочего тела в турбине.
Преимуществом установки является непрерывное действие. Расплав постоянно очищается от продуктов распада, и при необходимости обогащается горючим… Но может и не обогащаться. Если при запуске использовать смесь 235-урана и тория, установка начнёт нарабатывать не мерзкий плутоний (среди прочих достоинств он не горит в тех же условиях, что уран), а уран-233. И далее гореть будет уже он, перерабатывая на себя торий. Так что, реактор становится, в принципе, безотходным. Родившиеся в активной зоне нестабильные изотопы сгорят в потоках нейтронов.
Над этим работают. Но пока… Как обычно бывает, гладко всё выглядит на бумаге. В настоящий момент препятствием на пути создания энергетических реакторов на расплаве солей, остаётся несовершенство технологий очистки расплава. Без прекращения работы установки, без охлаждения расплава, в реальном времени из него должны удаляться, как минимум, вещества кипящие при 650 градусах… Главным образом, это вода, образующаяся из водорода рождённого при распаде нейтронов. Давление пара может разорвать трубы.
Также удалению подлежат и соединения при 650 градусах застывающие. Твёрдый осадок будет забивать трубы, – а как их чистить без остановки реактора?..
Да, собственно, и после остановки задача очень нетривиальна. Осадок нужно растворять. А чем?.. Для ответа на данный вопрос, как минимум, нужно узнать из чего он состоять будет. Но это не просчитывается теоретически. Распад ядер урана-235 даёт случайный спектр осколков, после чего короткоживущие изотопы распадутся с образованием новых элементов, после чего атомы этих элементов вступят в реакции между собой с образованием молекул… Продукты же распада урана-233 плохо изучены пока вообще. Нет ещё мощных реакторов работающих на горючем получаемом из тория.
Наиболее же головоломной задачей оказывается очистка расплава от жидких при 650 градусах отходов. Среди которых могут быть поглощающие нейтроны, и таким образом, заглушающие реакцию вещества. Не молекулярным же фильтром отделять жидкость от жидкости?.. В прочем, можно и фильтром, но, как минимум, требуется представлять себе химический состав «реакторных ядов».
