ХИМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ НА РАСПЛАВЛЕННЫХ СОЛЯХ Российский патент 2018 года по МПК G21C3/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к химической оптимизации ядерного топлива в форме расплава солей для ядерного реактора деления.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ядерные реакторы деления, в которых используется ядерное топливо в форме расплавленных галоидных солей, обладают многими преимуществами перед твердотопливными реакторами, но обычно с ними связаны проблемы, обусловленные непрерывными изменениями химического состава расплавленной топливной соли во время эксплуатации, поскольку продукты деления накапливаются, и происходит выделение чистого галогена из топлива на основе три- или тетрагалоида актиноида. В большинстве конструкций реакторов на расплавленных солях для решения этой проблемы используют способ непрерывной химической обработки в процессе циркуляции топлива, однако это требует добавления сложных технических систем в высокорадиоактивную среду.

Значительно более простая конструкция реактора на расплавленных солях описана в публикации GB 2508537, в которой топливная соль находилась в статических топливных каналах, в которых конвекция или другие процессы перемешивания обеспечивали передачу тепла от топливной соли к стенке канала со скоростью, достаточной для того, чтобы реактор обеспечивал практически значимую выработку энергии. Такие статические топливные каналы не позволяют непрерывное активное регулирование химического состава топливной соли. В публикации GB 2508537 было высказано предположение о том, что включение металлов, таких как ниобий, титан или никель, в топливную соль или нанесение их на стенку топливного канала можно использовать для захвата избытка галогена, выделяемого во время деления ядер, но не было выдвинуто предложений относительно контроля вредных эффектов продуктов деления.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно аспекту настоящего изобретения, предложено применение в ядерном реакторе деления жертвенного металла в ядерном топливе в форме расплавленных солей для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов из группы, включающей цирконий, титан, хром и серебро.

Согласно следующему аспекту настоящего изобретения, предложен способ регулирования продукции газа в ядерном реакторе деления, содержащем топливные каналы, содержащие ядерное топливо в форме расплавленной соли. Способ включает обеспечение непрерывного контакта расплавленной соли с жертвенным металлом, причем жертвенный металл выбирают для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов из группы, включающей цирконий, титан, хром и серебро.

Другие аспекты сформулированы в пункте 2 формулы изобретения и в последующих пунктах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Далее будут описаны некоторые предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, исключительно в качестве примера и со ссылками на прилагаемые графические материалы, где:

Фиг. 1 демонстрирует примеры топливных каналов, содержащих расплавленную топливную соль;

Фиг. 2 демонстрирует примеры трех способов, обеспечивающих эмиссию газообразных продуктов деления из топливных каналов.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Был проведен систематический анализ действия включения жертвенных металлов в топливную соль или топливный канал, который привел к идентификации особенно эффективных металлов для этой цели. Три фактора определяют пригодность каждого конкретного жертвенного металла. Это:

- поддержание низкого окислительно-восстановительного состояния и, соответственно, низкой агрессивности среды по отношению к металлам и низкой концентрации тетрагалоидов актиноидов, на что указывает высокое отношение трехвалентных актиноидов к тетравалентным актиноидам в расплавленной соли без восстановления галоидов актиноидов (обычно урана) до металлической формы при температурах, примерно равных температуре кипения солевой смеси;

- химическое связывание потенциально летучих продуктов деления в расплавленной соли и предотвращение их проникновения в газообразную фазу над солью. Особенно важно минимизировать летучие соединения йода, в частности - Tel₂;

- преобразование химически активного теллура в стабильные теллуриды для предотвращения индуцированного теллуром охрупчивания металлов, в частности - никелевых сплавов, при контакте с расплавленной солью.

Были выполнены термодинамические расчеты этих трех факторов с использованием компьютерной программы HSC Chemistry 7. Результаты приведены в Таблице 1.

Параметры термодинамического расчета были следующими. Жертвенный металл использовали как отдельную чисто металлическую фазу в избытке относительно других реагентов.

Состав соли в молях:

NaCl 428 UCl₃ 225 UC₄ 10 Cd 0,38 I 0,84 In 0,04 Sb 0,14 Se 0,24 Те 1,47

Такой состав характерен для типичной топливной соли к концу ее срока эксплуатации в ядерном реакторе на быстрых нейтронах. Металлы 1 и 2 групп, лантаноиды, благородные металлы и инертные газы исключили, поскольку показано, что они не оказывают влияния на изучаемые химические реакции.

Состав газа определяли при 600°С, а восстановление урана до металла - при 1500°С.

Исследование Таблицы 1 показывает, что цирконий, титан, ниобий, ванадий, цинк, хром, серебро и марганец пригодны для использования в качестве жертвенных металлов для регулирования окислительно-восстановительного состояния без образования металлического урана в ситуациях, когда не важен контроль летучих молекул.

Если же дополнительно необходим контроль опасных летучих молекул, например - йода, то можно использовать только цирконий, титан, ванадий, хром и серебро. Эти же металлы, за исключением ванадия, также обеспечивают эффективный контроль концентраций теллура.

Серебро как жертвенный металл, по-видимому, обладает уникальными свойствами. Несмотря на высокую электроотрицательность по шкале Полинга, оно очень эффективно снижает концентрации UCl₄, снижает содержание летучих молекул йода и захватывает теллур. Высокое сродство к йоду - это известное свойство серебра, но эффективность восстановления UCl₄ до UCl₃ оказалась неожиданной.

Комбинации нескольких жертвенных металлов дают еще более благоприятные результаты, если отдельные жертвенные металлы более эффективны в отношении какого-либо из трех факторов, указанных выше.

Хотя данные представлены для хлоридных солей, те же принципы и пригодные жертвенные металлы можно применить к системам на основе фторидных солей.

Несмотря на то, что пассивный контроль химических реакций в расплавленной соли с использованием жертвенных металлов важен для любых реакторов на расплавленных солях, он особенно важен для таких реакторов, которые описаны в публикации GB 2508537, в которых доступ к расплавленной соли для активного управления химическими реакциями, например - посредством добавления небольших количеств химически активных металлов, является проблемой. В таком реакторе целесообразно нанести жертвенный металл на резервуар, содержащий топливную соль, выше и ниже уровня соли. Это предотвращает окклюзию жертвенного металла осаждающимися продуктами деления в форме благородных металлов. Также может быть выгодно (в частности, если жертвенный металл хорошо поглощает нейтроны), чтобы жертвенный металл не находился вблизи центра активной зоны реактора, чтобы минимизировать поглощение нейтронов.

Жертвенный металл можно обеспечить различными способами. Фиг. с 1а по 1е демонстрируют примеры топливных каналов, содержащих жертвенный металл. Фиг. 1а изображает топливный канал 101а, содержащий расплавленную соль 103а и внутреннее покрытие 102а из жертвенного металла, нанесенное на внутреннюю стенку топливного канала. Жертвенный металл можно нанести на внутреннюю стенку топливного канала различными способами, включающими, но не ограничивающимися этим, электролитическое осаждение, напаивание, приваривание, химическое осаждение из паровой фазы, напыление, вакуумное осаждение, нанесение конверсионного покрытия, распыление, физическое нанесение и центрифугирование. Альтернативно, как показано на Фиг. 1b, внутреннее покрытие 105b можно нанести лишь на часть топливного канала 101b, при условии, что эта часть контактирует с топливной солью 103b. На Фиг. 1с изображен другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором металлическая вставка 104с, изготовленная из жертвенного металла или покрытая жертвенным металлом, размещена внутри расплавленной соли 103с внутри топливного канала 101с. Эта вставка может иметь форму, способствующую конвекционному перемешиванию топливной соли, например - спиральную форму. Фиг. 1d демонстрирует еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором жертвенный металл использован в форме частиц 107d, суспендированных в расплавленной соли 103d внутри топливного канала 101d, или в форме покрытия на таких частицах. Фиг. 1е демонстрирует вариант осуществления настоящего изобретения, в котором жертвенный металл использован в форме частиц 106е, которые оседают в топливной соли 103е по направлению к дну топливного канала 101е.

Использование жертвенного металла, такого как титан, ванадий, хром или серебро, снижает давление пара многих радиоактивных молекул, генерируемых топливной солью, до очень низких уровней. Это делает возможными более простые способы контроля газов, выделяющихся из топлива, которые в присутствии подходящих жертвенных металлов преимущественно являются благородными газами, ксеноном и криптоном, галоидами кадмия и циркония, хотя концентрация последних значительно снижается, если цирконий используют в качестве жертвенного металла. Накопление этих газов в топливных элементах является основным ограничителем продолжительности эксплуатации таких топливных элементов, поскольку, если газу позволяют накапливаться, он создает высокое давление, которое может разорвать обшивку топливных элементов.

Известно, что, в частности - в реакторах на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением, газы, выделяющиеся при делении ядер, можно отводить из топливных элементов в натриевый теплоноситель. Такой способ использовали на ранних стадиях разработки таких реакторов, но отказались от него из-за присутствия высокорадиоактивного цезия с относительно длительным периодом полураспада в отводимом газе. Цезий загрязнял натриевый теплоноситель и создавал большие проблемы с утилизацией натрия, а также создавал большую опасность в случае возгорания натрия. Поэтому такая практика была прекращена. Сходные способы вентиляции никогда не предлагали для реакторов, не являющихся реакторами с натриевым охлаждением.

Ядерные реакторы на расплавленных солях отличаются тем, что цезий не накапливается в них в форме летучего металла, который выделяется в виде газа из металлических топливных элементов и скапливается в форме частично утекающих микропузырьков газа под высоким давлением в керамических топливных элементах. В реакторах на расплавленных солях цезий образует нелетучий галоид цезия, который создает пренебрежимо малое давление пара при используемых температурах. Поэтому можно отводить газ, образующийся при делении ядер, из ядерных реакторов на расплавленных солях в теплоноситель, не создавая значительных уровней загрязнения. Это, в частности, относится к конструкции ядерного реактора на расплавленных солях, описанной в публикации GB 2508537, где альтернативой является относительно сложная конструкция трубопроводов для сбора газов.

Газы, выделяющиеся таким образом, все еще могут содержать значимые количества радиоактивного йода, но он имеет короткий период полураспада. Радиоактивный йод будет загрязнять теплоноситель, но он распадется до безвредных уровней за относительно короткий период времени. Тем не менее, включение жертвенного металла, такого как магний, цирконий, скандий, титан, марганец, алюминий, ванадий, хром и/или серебро, снижает количество летучего йода до низкого уровня. Это основное преимущество сочетания использования жертвенных металлов, указанных выше, с системой вентиляции газов из топливных каналов. Подходящие системы вентиляции газов описаны в литературе (ORNL-NSIC-37, Fission Product release and transport in liquid metal fast breeder reactors (Образование и транспортировка продуктов деления в жидкометаллических ядерных реакторах-размножителях на быстрых нейтронах)), и они включают устройство типа «водолазного колокола» - узкие или капиллярные трубки и газопроницаемые спеченные материалы, расположенные выше уровня топливной соли. Газ можно отводить в газовое пространство, находящееся над солью-теплоносителем, или непосредственно в соль-теплоноситель, где он в виде пузырьков будет подниматься к поверхности.

Фиг. с 2а по 2с демонстрируют примеры трех способов обеспечения эмиссии газа из топливных каналов. В способе, изображенном на Фиг. 2а, использовано закрытие верхнего отверстия топливного канала 203а заглушкой 201а из металлокерамики, причем размер пор металлокерамического материала подобран так, что они пропускают газ, но не пропускают жидкости - ни топливную соль 202а, ни теплоноситель, находящийся снаружи от топливного канала. Фиг. 203b изображает топливный канал 203b, содержащий топливную соль 202b, причем топливный канал закрыт сверху «водолазным колоколом» в сборе 205b. «Водолазный колокол» в сборе 205b обеспечивает прохождение газа из топливного канала 203b в теплоноситель 207b через вентиляционные отверстия 206b в стенке топливного канала, однако теплоноситель 207b, засасываемый в «водолазный колокол» в сборе 205b, не может смешаться с топливной солью 202b. Фиг. 2с изображает топливный канал 203с, вентилируемый непосредственно в газовое пространство над теплоносителем 207с через узкую трубку или через капиллярную трубку 208с.

Изобретение относится к применению в ядерном реакторе деления жертвенного металла в ядерном топливе в форме расплавленных солей, содержащем галоиды актиноида, для поддержания предварительно заданного отношения тригалоида актиноида к тетрагалоиду актиноида без восстановления тригалоида актиноида в металлический актиноид. Способ поддержания окисленного состояния расплавленной соли, содержащей галоиды актиноида, включает обеспечение непрерывного контакта расплавленной соли с жертвенным металлом, причем жертвенный металл выбирают для поддержания предварительно заданного отношения тригалоида актиноида к тетрагалоиду актиноида без восстановления тригалоида актиноида до металлического актиноида. В изобретении также предусмотрен трубчатый топливный канал, содержащий жертвенный металл. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Применение в ядерном реакторе деления жертвенного металла в ядерном топливе в форме расплавленных солей для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов, выбранных из группы, включающей цирконий, ванадий, хром и серебро.

2. Применение по п. 1, отличающееся тем, что расплавленное солевое топливо содержит галоиды актиноидов.

3. Способ регулирования продукции газа в ядерном реакторе, содержащем топливные каналы, содержащие ядерное топливо в форме расплавленных солей, который включает обеспечение непрерывного контакта расплавленной соли с жертвенным металлом, где жертвенный металл выбран для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов, выбранных из группы, включающей цирконий, ванадий, хром и серебро.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что он включает обеспечение выхода газов, образующихся при делении ядер в ядерном топливе в форме расплавленных солей, из топливных каналов в теплоноситель, окружающий топливный канал, или в газовое пространство, находящееся в контакте с теплоносителем.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что жертвенный металл предусмотрен в форме металлического покрытия внутренних стенок топливных каналов.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что жертвенный металл предусмотрен в форме частиц или в форме покрытия на частицах, находящихся в расплавленной соли.

7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что жертвенный металл предусмотрен в форме вставки, погруженной в расплавленную соль, или в форме покрытия на вставке, погруженной в расплавленную соль.

8. Способ по любому из пп. 3-7, отличающийся тем, что ядерное топливо в форме расплавленной соли содержит галоиды актиноидов.

9. Топливный канал для использования в ядерном реакторе деления, где топливный канал выполнен так, что он содержит ядерное топливо в форме расплавленной соли, и топливный канал содержит жертвенный металл так, чтобы при эксплуатации жертвенный металл находился в контакте с расплавленной солью или с жидкостью, конденсирующейся из пара, выделенного расплавленной солью, и жертвенный металл выбран для регулирования концентрации летучих соединений йода, выделяющихся из расплавленной соли, причем жертвенный металл является одним металлом или комбинацией металлов, выбранных из группы, включающей цирконий, ванадий, хром и серебро.

10. Топливный канал по п. 9, отличающийся тем, что он выполнен так, что позволяет выход газов из топливного канала при эксплуатации в теплоноситель или в газовое пространство ядерного реактора деления, содержащего топливный канал.

11. Топливный канал по п. 10, отличающийся тем, что отверстие топливного канала закрыто заглушкой из спеченного материала, причем заглушка из спеченного материала выполнена так, что она позволяет проникновение газов и не допускает проникновения жидкостей.

12. Топливный канал по п. 10, отличающийся тем, что топливный канал продолжается вертикально в газовое пространство при эксплуатации и содержит отверстие, находящееся в газовом пространстве.

13. Топливный канал по п. 12, отличающийся тем, что топливный канал содержит капиллярную трубку, продолжающуюся вертикально в газовое пространство при эксплуатации, причем на верхнем конце капиллярной трубки находится отверстие.

14. Топливный канал по п. 10, отличающийся тем, что топливный канал содержит водолазный колокол в сборе с наружным отверстием, погруженным в теплоноситель при эксплуатации.

15. Топливный канал по п. 9, отличающийся тем, что жертвенный металл нанесен на поверхность топливного канала в форме покрытия.

16. Топливный канал по п. 9, отличающийся тем, что жертвенный металл имеет форму частиц или покрытия на частицах, содержащихся в топливном канале.