1.4. Свинцовый теплоноситель

Жидкий свинец выбран в качестве теплоносителя для ряда инновационных ядерных энерготехнологий, в том числе для российской разработки с реакторной установкой БРЕСТ [2]. По сравнению с натрием свинец, как теплоноситель, имеет три важных преимущества: высокую температуру кипения (2600 К при давлении 1 МПа), химическую пассивность при контакте с водой и воздухом и низкую собственную радиоактивность. Это позволяет реализовать преимущества быстрого реактора в отношении безопасности и экономики, упростить его конструкцию и управление.

Кроме того, малые сечения замедления и поглощения нейтронов в свинце позволяют увеличить его объемную долю в активной зоне до 60 %, снизить подогрев до 120 К и максимальную скорость до 1,8 м/с при существенном снижении потерь мощности на прокачку теплоносителя и высоком уровне его естественной циркуляции.

Недостатками свинца, из-за которых в быстрых реакторах ранее предпочтение было отдано натрию, являются:

• высокий удельный вес и более низкая теплопроводность свинца, что ограничивало скорость его прокачки и препятствовало достижению высокой энергонапряженности для сокращения времени удвоения плутония;

• растворение в свинце компонентов стали и его высокая коррозионная активность;

• высокая температура плавления (T_пл=600 К), приводящая к повышению температурного уровня всей системы и к опасности застывания свинца при нарушении режима охлаждения.

Последнее обстоятельство послужило причиной того, что в судовых реакторах и реакторах СВБР в качестве теплоносителя применяется свинцово-висмутовая эвтектика с T_пл=400 К. Однако высокий уровень активности этого сплава по полонию-210 (в ~ 20 тысяч раз выше, чем при использовании свинца), высокая стоимость висмута (в ~ 10 раз выше, чем стоимость свинца), ограниченные ресурсы и объемы производства висмута (согласно справочному изданию [3], по состоянию на начало 2015 года учтенные мировые запасы висмута составили 320 тыс. т, производство висмута в 2014 году – 8500 т/год) не позволяют использовать свинцово-висмутовую эвтектику в качестве теплоносителя для действительно крупномасштабной ядерной энергетики. Вместе с тем, свинцово-висмутовый теплоноситель представляется перспективным для экспериментального быстрого реактора, а также для реакторов малой энергетики.

Справедливости ради следует отметить, что последний недостаток свинца, а именно высокая температура плавления (и «замерзания»), в определенных условиях может обернуться преимуществом. Например, при аварии с разгерметизацией первого контура жидкий теплоноситель при растекании застывает, достигнув температуры T_пл=600 К. Иными словами, происходит «самозалечивание» течи первого контура.

Что касается взаимодействия свинца и ферритно-магнитных конструкционных сталей, то стендовые коррозионные испытания и термодинамические расчеты показали совместимость этих сталей с жидким свинцом при создании оксидных защитных покрытий. Определено, при какой концентрации растворенного в свинце кислорода происходит формирование и сохранение оксидных покрытий. В других экспериментах показано, что контактный подслой из жидкого чистого свинца (С000), отделяющий уран-плутониевое нитридное топливо от стальной оболочки твэла, позволяет сохранять целостность твэла при температурах 920 и 1076 К в течение 500 часов. Взаимодействие топлива с оболочкой не выявлено и при кратковременных (10-50 часов) нагревах до 1470 К.

Прямые лабораторные эксперименты в контакте с воздухом при T=1170–1470 К доказали, что процессов воспламенения, вспышек и горения свинца не происходит даже в присутствии мощного искрового разряда [2].

Для очистки свинцового теплоносителя и поддержания концентрации растворенного кислорода в пределах узкого «оптимального» коридора значений используют водородное восстановление оксидов компонентов расплава, регулирование с помощью двух- или трехкомпонентных газовых смесей, механические фильтры с металлическими или углеродными волокнами, либо с зернистыми или металлокерамическими насадками.

Свойства свинцового теплоносителя позволяют существенно упростить конструкцию реактора, перейти на двухконтурную систему охлаждения, пассивный отвод остаточного тепа за счет естественной циркуляции воздуха. Становится возможной чисто бассейновая конструкция с размещением реактора в теплоизолированной бетонной шахте [1].