10 апреля 2024
В марте 2024 года в ряде СМИ прошла информация о том, что Китай достиг прогресса в разработке реактора мегаваттного класса для космических применений.
Первоисточник информации - статья в научном журнале "SCIENTIA SINICA Technologica" (v.54, Issue 3, pp.365-376). Так как научные публикации редко сами по себе привлекают внимание широкой общественности, то работа была поддержана статьёй в англоязычной газете "South China Morning Post".
Российским специалистам рекомендуем обратить внимание на имя первого из списка авторов - Wu Yican. Он и его сотрудники частые гости на мероприятиях, проходящих в России; у нас он известен как Ву Ицань или Ву Икан. Электронному изданию AtomInfo.Ru в 2013 году он дал интервью как Ицань Ву.
Информация о работах группы Ву Ицаня по проекту космического мегаваттника в 2022 году была "по ошибке" опубликована в китайских СМИ и быстро удалена, хотя некоторое время была доступна в сохранённых копиях поисковых систем.
Рассуждая о подходящем типе теплоносителя для космического реактора, авторы статьи делают выбор в пользу жидкого металла как наиболее проработанного варианта.
Инертный газ был исключён из-за необходимости иметь большую активную зону и тяжёлую защиту, а тепловые трубки, по мнению авторов, подходят только для аппаратов мощностью до 100 кВт из-за ограничений по теплопередаче.
Выполненный анализ свойств различных вариантов жидкометаллических теплоносителей (натрий, калий и т.д.) позволил авторам остановиться на литии.
У него большие удельные теплоёмкость и теплопроводность, что позволяет сделать активную зону реактора достаточно компактной. Также у лития высокая температура кипения (свыше 1600 градусов Кельвина), что обеспечивает однофазность потока теплоносителя в широком температурном диапазоне.
Спектр нейтронов в разрабатываемом китайской командой реакторе быстрый, топливо - нитрид урана UN, уран обогащением 93%.
Тепловая мощность реактора составляет порядка 6 МВт(т), что в сочетании с выбранным для генерации электроэнергии циклом Брайтона на смеси гелий-ксенон позволяет получить 1,5 МВт(э) электрической мощности.
Теплоноситель, как уже сказано, жидкий литий. Входная и выходная температуры теплоносителя равны 1400 и 1550 K, соответственно (то есть, подогрев по активной зоне равен 150 градусам). Входная температура рабочего тела на турбине - 1500 K.
Вопрос отвода избыточного тепла от установки китайские специалисты предлагают решать за счёт тепловых трубок на ртути и калии, от которых тепло будет отводиться излучением.
Активная зона реактора собрана из сотообразных уран-нитридных топливных элементов с каналами для прокачки лития. Диаметры каналов разные, что позволяет снизить радиальный коэффициент неравномерности энерговыделения.
Проектный срок службы реактора - 10 лет. Расчётное значение Kэфф на начало кампании составляет 1,12. Для компенсации избыточной реактивности и управления реактором имеются два регулирующих стержня и специализированная система компенсации.
В системе компенсации имеется поглотитель из карбида бора, ниже которого располагается сжатая пружина. Выход системы запечатан уплотнительным материалом, который расплавляется при нагреве, после чего поглотитель выталкивается пружиной в активную зону.
Присутствие в списке авторов Ву Ицаня сразу заставляет предположить наличие большого объёма экспериментальных исследований. Описываемый проект мегаваттника не стал исключением.
В частности, в статье говорится про эксперименты на стенде-прототипе. В его состав входят первый контур с литием и второй контур для гелий-ксенонового цикла Брайтона.
В первом контуре используются электронагревательные элементы мощностью более 100 кВт, что позволяет обеспечивать максимальную температуру лития порядка 1500 градусов Кельвина.
Прокачка лития осуществляется электромагнитным насосом. Теплообмен между контурами происходит посредством пластинчатого теплообменника. Во втором контуре имеется турбина для выработки электроэнергии. Отвод избыточного тепла производится с помощью радиатора водяного охлаждения.
Помимо проверки предлагаемых технологических решений на стенде был выполнен комплекс экспериментов по изучению коррозии молибденового сплава, контактирующего с нагретым до высокой температуры литием.
Авторы затронули целый пласт вопросов, связанных с уровнем готовности технологии. Так, по нитридному топливу они признают, что в Китае технология его изготовления находится в зачаточном состоянии. Значительный прогресс был достигнут в России, но потребуются ещё дополнительные экспериментальные проверки поведения такого топлива под облучением.
В качестве конструкционного материала активной зоны предлагается использовать сплав молибдена и рения. Он тугоплавкий, с высокой термостойкостью, но одновременно и очень дорогой.
Высокие цены на сплав Mo-Re серьёзно ограничивают объём выполненных экспериментальных исследований его свойств и поведения в различных средах. Также необходимо решить проблему примесей в сплаве и подобрать подходящие методы сварки.
Молибден в Mo-Re имеет проблему совместимости с нитридом урана при высоких температурах. Поэтому в конструкции активной зоны потребуется использовать композиты - например, двухслойный композит Re/PWC11 от компании SP100 или его аналоги. Основная идея - отделить молибден-рений от топлива металлическим слоем рения.
Материалом для защиты выбран гидрид лития. Этот материал может разлагаться при облучении и распухать при низких температурах, и его нужно комбинировать с карбидом бора и системами температурного контроля.
Авторы упомянули и другие технологические вопросы, ожидающие решения. Так, в Китае сейчас есть насосы, работающие с литием только при относительно низких температурах. Подходящий насос был в своё время разработан в США для нужд НАСА.
Важный вопрос - создание надёжной системы отделения гелия от лития (гелий будет образовываться под облучением) в условиях отсутствия гравитации. Имеющийся в Китае объём испытаний по данной тематике недостаточен. Также пока нет решения по компенсации расширения лития при изменении температуры.
Авторы затронули и другие проблемы по другим элементам реакторной установки, а также отметили, что необходимо тщательно проанализировать вопросы безопасности при аварийных ситуациях - например, при авариях на старте ракеты-носителя.