Когда речь заходит о новых ядерных реакторах, то самая большая головная боль ученых — даже не сама реакция, а как сделать так, чтобы стенки реактора не разъедало жидким металлом или расплавленной солью.
В Окриджской национальной лаборатории (подразделение Министерства энергетики США) исследователи помогают сделать ядерную энергию следующего поколения доступной и не слишком дорогой. Они соединили накопленный за 80 лет опыт с новейшими научными методами, современным оборудованием и уникальными установками. Лаборатория давно знает, как разрушаются материалы в агрессивной среде ядерных реакторов, поэтому именно сюда сейчас обращаются компании, которые заново заинтересовались жидкими металлами и расплавленными солями — для перспективных реакторов деления и для термоядерных реакторов.
Руководитель группы коррозионных наук и технологий Риши Пиллаи объясняет:
Деление и синтез — ключевые технологии, которые очень интересуют и ученых, и промышленность. Многие новые реакторы, которые сейчас разрабатывают компании, используют расплавленные соли и жидкие металлы. А Окриджская лаборатория исторически была сильна именно в этих направлениях.
Почему компании выбирают расплавленные соли и жидкие металлы? Они отлично переносят тепло, у них высокая теплоемкость. Это позволяет добиться высоких рабочих температур при сравнительно низком давлении, а значит, повысить эффективность. Но у такого подхода есть обратная сторона: агрессивная среда разрушает материалы самого реактора. Поэтому исследования коррозии становятся критически важными.
Обычный человек, слыша слово «коррозия», сразу представляет ржавчину на металле. В ядерных реакторах все гораздо сложнее. Высокотемпературные жидкие металлы и расплавленные соли создают для конструкционных материалов настоящие испытания. Из сплавов вымываются ключевые легирующие элементы. Материалы становятся хрупкими, трескаются и ломаются. Упрочняющие фазы растворяются, зато появляются вредные фазы. А механические напряжения и облучение нейтронами усугубляют эти проблемы.
Программа по коррозии в Окриджской лаборатории изучает, как разные материалы — например, металлические сплавы — разрушаются со временем под действием коррозионных элементов, высоких температур и мощных нейтронов, которые вылетают при ядерных процессах. Сейчас группа Пиллаи оснащает новейшую лабораторию в здании Translational Research Capability. Все исследования, которые раньше были разбросаны по полутора десяткам помещений, они собрали в одном компактном и удобном для совместной работы пространстве. Ученые также используют уникальный опыт лаборатории в области термоядерного синтеза и деления, а также специальные установки, например реактор HFIR — самый мощный в США стационарный источник нейтронов на базе реактора.
Свой опыт с расплавленными солями Окриджская лаборатория получила еще при создании экспериментального реактора MSRE в 1960-х. Он проработал меньше пяти лет как опытный образец, но доказал: соли могут одновременно служить и топливным носителем, и теплоносителем, повышая безопасность и эффективность деления. Также лаборатория участвовала в исследованиях коррозии для экспериментального реактора-размножителя EBR II, где теплоносителем служил жидкий натрий. Тот реактор проработал почти 30 лет на территории нынешней Айдахоской национальной лаборатории и был остановлен только в 1994 году.
Мари Ромеденн, всемирно признанный специалист по высокотемпературной коррозии, говорит:
Руководители группы всегда заботились о том, чтобы передать знания следующим поколениям и сохранить научную экспертизу. Они предвидели, что технология станет важной, поэтому сохранили и оборудование, и технические знания. Когда настал подходящий момент для внедрения, лаборатория оказалась готова.
Хотя жидкими металлами и расплавленными солями в энергетике деления заинтересовались давно, для термоядерного синтеза они стали актуальны относительно недавно. Основные типы установок для магнитного удержания плазмы — токамаки в форме бублика и стеллараторы в форме пончика — создают сверхвысокотемпературную плазму. В ней изотопы водорода могут сливаться, давая нейтроны и гелий и выделяя кинетическую энергию.
Одна из главных задач для компаний, строящих термоядерные устройства, — как преобразовать эту энергию в электричество, одновременно охлаждая реактор и даже производя топливо прямо на месте. Эту работу выполняет так называемое бланкетирующее устройство, которое окружает плазму. Оно поглощает тепло и энергию вылетающих из плазмы нейтронов.
Пиллаи поясняет:
Десятилетиями исследования были сосредоточены на том, как создать и удержать плазму. Но бланкет — тоже очень сложная задача из-за его многоцелевой природы и сложных взаимодействий материалов. Идея использовать расплавленные соли в бланкете требует больше экспериментов, чтобы понять, действительно ли она решит проблему.
Сейчас ученые Окриджской лаборатории работают вместе с коллегами из других национальных лабораторий и нескольких частных компаний над проектированием систем бланкета и топливного цикла. Группа Пиллаи изучает разные сплавы — как полученные обычными методами, так и аддитивными (то есть выращенные послойно), а также защитные покрытия. Нужно, чтобы все это выдерживало воздействие жидких металлов или расплавленных солей долгое время в суровых термоядерных условиях.
Специалисты группы коррозионных наук и технологий изучают по отдельности и в сочетании эффекты коррозионного напряжения и облучения. Они подвергают материалы этим нагрузкам и с помощью самых современных методов выясняют, что происходит на атомном уровне. Ученые работают с трудными материалами, опираясь на глубокие знания техников, на модели с мощных компьютеров и на доступ к специально спроектированным установкам.
Пиллаи подчеркивает:
Наши исследования соединяют передовые эксперименты в реальных условиях с точным компьютерным моделированием разрушения материалов. Это дает быстрые инженерные данные о поведении материалов и одновременно позволяет глубоко понять, как именно материал взаимодействует со средой. Такое уникальное сочетание компетенций и делает Окриджскую лабораторию ведущей в решении задач деления и синтеза.
Для науки такие исследования обходятся очень дорого — только эксплуатация мощных реакторов и создание лабораторий стоит миллионы долларов. Для промышленности пока тоже дорого: материалы для жидкосолевых и жидкометаллических реакторов требуют редких легирующих элементов и сложной обработки. Обычному человеку эта технология станет доступна лишь тогда, когда такие реакторы запустят в серию, — тогда стоимость электроэнергии может стать заметно ниже современной за счет высокой эффективности. Пока же это уровень прототипов.
До этой работы многие знания о коррозии в расплавленных солях и жидких металлах оставались на уровне отчетов 1960–1990 годов. Новизна в том, что в Окриджской лаборатории впервые за долгое время соединили старые наработки с современным моделированием и новыми сплавами.
Альтернативы — традиционные водяные и газовые теплоносители (гелий, углекислый газ). Водные реакторы проверены десятилетиями, но у них низкая эффективность при высоком давлении. Газовые дают высокую температуру, но хуже отводят тепло. Жидкие металлы и соли выигрывают по теплоотдаче и эффективности, но проигрывают по предсказуемости коррозии и сложности эксплуатации. Новая разработка сильнее именно сочетанием методов — быстрый эксперимент плюс точная модель. Слабее — пока нет большого массива долговременных испытаний в реальных нейтронных потоках.
Слабые места работы: все эксперименты ведут в одном месте (Окриджская лаборатория) на ограниченном наборе сплавов. Нет гарантии, что те же результаты получатся в промышленных масштабах. Воспроизводимость затруднена из-за сложности чистоты солей и металлов — малейшие примеси меняют скорость коррозии. Короткое обоснование: в открытых публикациях пока мало данных по испытаниям дольше 5–10 лет, а срок службы реактора должен быть 40–60 лет.
Ранее в России появился ключевой элемент для замыкания ядерного топливного цикла.