Ранее на канале уже публиковались статьи, посвящённые описанию основных видов ядерных энергетических установок. Описывались реакторы на медленных нейтронах, и куда более редкие «быстрые» реакторы. Но помимо них существуют — большей части в виде опытных образцов или существующих лишь на бумаге проектов — и реакторы иных, подчас очень необычных схем.
Для начала, коротко, об «обычном». Классифицировать действующие реакторы можно всего по двум параметрам: замедлителю и теплоносителю. Замедлитель можно назвать «катализатором» цепной реакции распада ядер. Это некоторое вещество, тормозящее свободные нейтроны, чтобы они не сбегали из зоны реакции, а поддерживали её. В реакторах на быстрых нейтронах замедлителя, соответственно, нет. Там же где он есть, его роль выполняют либо вода, либо графит. В первом случае реактор будет иметь котёл, в который погружены тепловыделяющие элементы, а во втором его конструкция будет канальной: теплоноситель течёт сквозь состоящую из ТВЭЛов и блоков графита активную зону по трубам.
С другой стороны, разнообразие теплоносителей велико. Веществом, охлаждающим зону реакции и выносящим тепло к турбинам, могут оказаться, как гелий, так и расплавленный свинец. Хотя, чаще всего им тоже оказывается обычная вода. Ибо она дёшево стоит, и одновременно работает как замедлитель. Казалось бы от добра добра не ищут, но у воды есть и крупные недостатки. Здесь и низкая температура кипения, вынуждающая для повышения КПД использовать установки рассчитанные на давление 200 атмосфер, и бешеная химическая активность. Перегретая до 300 градусов и находящаяся под высоким давлением вода представляет собой исключительно эффективный растворитель, которому с трудом противостоят даже специальные сорта стали.
Вода работает как замедлитель, благодаря содержащемуся в ней водороду, плотность которого оказывается даже более высокой, чем если использовать просто жидкий водород. Но таким же свойством обладают и органические вещества. Если взять химически инертный, тугоплавкий полимер, обладающий, к тому же, отличной теплоёмкостью, то можно построить реактор с котлом, рассчитанным на работу при низком давлении. Из дешёвой стали и лёгкий. А это — то, что и требуется от реакторов, предназначенных для обогрева и электроснабжения небольших поселений Крайнего Севера…
Рассуждая таким образом, советские конструкторы разработали мобильный реактор «Арбус». Который был построен, испытан, и досрочно выведен из эксплуатации, ввиду полной неработоспособности. Под воздействием радиации в активной зоне на кислород и водород разлагается даже вода. Полимеры же под градом частиц стремительно превращались в шлак, забивающий насосы. Органический теплоноситель не выдерживал критики в плане соответствия одному из ключевых требований: радиационной стойкости.
Впрочем, кроме гелия и свинца, этому требованию в полной мере не удовлетворяет ни одно из веществ. Но гелий недостаточно теплоёмкий, а свинец… достаточно сказать, что остановка (с последующим перезапуском) реактора со свинцовым теплоносителем технически исключена. В том числе и аварийная.
Отсутствие хороших кандидатур на роль теплоносителя подталкивает конструкторов к поиску смелых и даже внезапных решений. Например, если уж с жидкостями и газами столько проблем, почему бы не использовать для транспортировки тепла твёрдое вещество в форме шариков из тугоплавкого материала? Давление в системе в таком случае, практически, будет отсутствовать — хоть из жести реактор вари. Химическая инертность абсолютная. Температура же рабочего тела, а значит, и КПД установки, могут быть очень велики… Однако, слишком уж очевидной проблемой является пыль, возникающая при взаимном трении шариков, и забивающая механизмы.
Так что, самые перспективные проекты предусматривают реактор вообще без теплоносителя. Обходятся же без замедлителя реакторы на быстрых нейтронах? Если же убрать и теплоноситель, останется лишь ядерное горючее. Пусть само себя и охлаждает.
Идея реализована в форме российского реактора «Аргус», представляющего собой 22-литровый бак с раствором солей обогащённого урана, и развивающего мощность 20 кВт (без учёта КПД). Зато, способного проработать на одной заправке 3000 лет, если не забывать доливать в него воду.
Недостатком концепции «раствора», однако, является заведомо низкая мощность и тепловой КПД на уровне, примерно… нуля. «Аргус», вообще-то, для производства нейтронов предназначен. По-этому, более перспективной представляется идея реактора на расплаве солей. В котором по трубам перекачивается жидкое ядерное горючее. Там, где две трубы проходят параллельно и разделены блоком графита, будет протекать реакция. На остальном же протяжении труба сможет тепло отдавать.
Преимуществами использования жидкого топлива являются низкое давление, а значит, простота и компактность установки, и возможность дозаправки (как и извлечения продуктов распада) в процессе работы установки. Да и не все отходы потребуется извлекать, а лишь нужные или уже безопасные. Всё нестабильное само собой выгорит до железа под ливнем нейтронов. К недостаткам же, не позволяющим пока реализовать идею в металле, относятся чрезвычайно высокие тепловые, радиационные и химические нагрузки на конструкцию.
Другие статьи на данную тему
Вы не упомянули ещё одну экзотическую схему — Реактор Подольского (автора знаменитого парадокса ЭПР). Схема практически не годится для применения, но есть очень большая вероятность (более 1%) перехода реактора после разрушения в режим Подольского. Где реакция продолжится вспышками с интервалом 13-30 дней с постепенным увеличением, и так до 60-70% выгорания урана 238.
Механизм Подольского — После выхода остатков реактора из йодной ямы, начинается реакция деления, до выгорания урана 235 и плутония до докритической концентрации, после этого реакция затухает и реактор проваливается в йодную яму, до распада йода и ксенона и превращения наработанного Нептуния в Плутоний 239. И все повторяется снова.