Суперсплавы для энергетики, часть 3 — Реакторы на расплавах солей MSR и Hastelloy® N

В Соединенных Штатах реализуются первые проекты реакторов на жидком топливе MSR, относящихся к IV поколению ядерных реакторов. Эти реакторы должны стать более безопасной и менее обременительной альтернативой водным реакторам. В этой статье мы рассмотрим принцип действия реакторов  на расплавах солей и стоящие перед ними инженерные задачи, уделив особое внимание суперсплаву никеля Hastelloy® N, который имеет ключевое значение для их функционирования.

Таким образом, восхищаясь достижениями техники в США, мы увидим возможное будущее национальной энергетики.

Реакторы на расплавах солей

Реакторы на расплавленных солях MSR (от англ. Molten Salt Reactor) используют в качестве топлива жидкие соли, чаще всего смесь урана, фторидов натрия и циркония. В процессе работы топливо нагревается, проходя через реактор. Затем тепло отводится в теплообменниках во вторичный охлаждающий контур, по которому течет другая, нерадиоактивная смесь солей. Затем тепло отводится в контур привода турбины. Использование горячих солей в жидком состоянии в качестве топлива и теплоносителя имеет ряд преимуществ по сравнению с водоохлаждаемыми реакторами:

• Более высокая температура, более низкое давление — соли сохраняют жидкое состояние при значительно более высокой температуре 600–900 °C при атмосферном давлении. Для сравнения, в водных реакторах для поддержания воды в жидком состоянии при температуре около 300 °C требуется давление порядка 150 атмосфер. Это означает, что реактор а) имеет более высокую эффективность и б) не находится рядом с сотнями литров чрезвычайно сжатой горячей воды, которая в худшем случае может превратиться в водород и взорваться (см.: Чернобыль).
• Отсутствие циркуляции – отсутствие реакции – в водоохлаждаемых реакторах отказ системы циркуляции охлаждающей жидкости может привести к плавлению активной зоны (см.: Фукусима). В реакторах  на расплавах солей  такой риск значительно меньше. Отсутствие циркуляции соли не вызывает неконтролируемой цепной реакции, так же как двигатель не может функционировать без топливного насоса.
• Жидкое топливо легче нейтрализовать — система безопасности заключается в сливании жидкого топлива в большой и холодный резервуар, удаленный от реактора, где соли быстро теряют температуру, не могут ускоряться в реакции и вскоре перестают быть радиоактивными.

Вызов для металлических сплавов

Нагретая до температуры свыше 700 °C смесь фторидов натрия, циркония и урана представляет собой сильно коррозионную среду. Соли вызывают образование окалины на металле и разрушение защитного оксидного покрытия.

Решение: Hastelloy® N

Hastelloy® N был специально разработан для реакторов  на расплавах солей в рамках американской программы MSRE, первого экспериментального реактора  на расплавах солей MSRE, построенного в США. Внутренняя часть реактора, трубы, теплообменники и насосы охлаждающей системы эксплуатировались в 1964-1969 годах. Хотя не все инспекторы были единодушны, в целом считается, что Hastelloy N выдержал бы полный 30-летний цикл коммерческой эксплуатации реактора. Hastelloy N характеризуется:

• Коррозионная стойкость: Обеспечивает высокую коррозионную стойкость в присутствии расплавленных фтористых солей, которые являются ключевой средой в реакторах MSR. Исследованная скорость коррозии в соли LiF-BeF₂ (топливная соль упомянутого реактора MSRE) при температуре 700 °C составила менее 0,0025 мм в год и 0,015 мм в год для нагретой до 600 °C соли охлаждающего контура NaBF₄ -NaF, нагретой до 600°C.
• Термическая стабильность: Благодаря высокой стойкости к ползучести и деформации под воздействием тепла, Hastelloy N может работать в экстремальных температурах в течение многих лет, не теряя эластичности и не растрескиваясь.

Ценность сплава Hastelloy N подтверждается научной работой, опубликованной в 2021 году:

«Были проведены 100-часовые испытания на коррозию в среде расплавленного FLiNaK при температуре 700 °C на сплавах X750, Hastelloy-N, нержавеющей стали 316 и 304 в атмосфере защитного газа аргона. Анализ элементного состава продуктов коррозии после испытаний и результаты исследований методами EDXS, XRD и XPS показали, что Hastelloy-N продемонстрировал лучшие антикоррозионные свойства, чем любой другой испытанный сплав, а глубина коррозии в этом сплаве была примерно в 10 раз меньше, чем в сплаве X750».

~Ketan Kumar Sandhi, Jerzy A. Szpunar, Analysis of Corrosion of Hastelloy-N, Alloy X750, SS316 and SS304 in Molten Salt High-Temperature Environment

Если Вы заинтересованы в покупке сплава Hastelloy N или других никелевых сплавов, приглашаю Вас связаться со мной.