Ученые ТПУ подобрали примерные составы ядерного топлива, перспективные для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов для получения водорода

| 761

Ученые Томского политехнического университета занимаются разработкой научных основ технологии плазмохимического синтеза наноструктурных сложных оксидных композиций для перспективных типов ядерного топлива. В перспективе их можно будет использовать в том числе для получения водорода — в качестве топлива для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР).

О ходе исследования и уже полученных результатах на II Всероссийской конференции с международным участием «Водород. Технологии. Будущее» рассказал доцент отделения ядерно-топливного цикла Инженерной школы ядерных технологий  ТПУ Александр Каренгин.

Ранее сообщалось, что план по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года предполагает создание крупномасштабного экологически чистого производства водорода на базе реакторов ВТГР. При этом, по словам Александра Каренгина, такие реакторы потребуют создания нового ядерного топлива.

«Сейчас на первый план выходит развитие водородных технологий. Среди основных методов его получения — электролиз воды и паровая конверсия метана. Однако паровая конверсия требует огромных энергозатрат, при которых половина метана сжигается для достижения рабочих температур. Выходом из положения могли бы стать реактора ВТГР. Но ядерное топливо, которое сейчас используется, для них не подходит. Дело в том, что значительная часть предприятий ядерной энергетики (АЭС) использует керамическое ядерное топливо из диоксида урана, обогащенного по изотопу уран-235, которое имеет низкую теплопроводность. При этом использование изотопа торий-232 не требует дорогостоящего изотопного обогащения, а цикл использования уран-ториевого топлива может быть доведен до 10-15 лет. Прогнозных запасов тория в земной коре в 3-5 раз больше, чем урана, а его применение резко снижает наработку энергетического плутония, дает возможность создания сверхмалых (до 10 МВт) и малых (до 100 МВт) ядерных энергетических установок для производства водорода в удаленных и труднодоступных регионах. Однако у этого топлива также остается недостаток — низкая теплопроводность.

Следовательно, необходимо ввести в топливную композицию матрицу, имеющую высокую теплопроводность и малое поперечное сечение поглощения нейтронов. Для получения таких топливных композиций сейчас в основном используются методы раздельного получения и механического смешения, но они многостадийны, и с их помощью сложно добиться равномерного распределения фаз.

Мы же предлагаем одностадийный плазмохимический синтез в воздушно-плазменном потоке топливных оксидных композиций из диспергированных водно-органических нитратных растворов (ВОНР), включающих органический компонент (спирты, кетоны и др.) и имеющих низшую теплотворную способность не менее 8,4 МДж/кг»,

— говорит ученый.

Подобные растворы ВОНР политехники перерабатывают в воздушно-плазменном потоке, что существенно снижает удельные энергозатраты на их переработку: с 4,0 до 0,1 МВт·ч/т, а также позволяет значительно увеличить производительность плазменных установок, так как процесс проходят в одну стадию и без дополнительного водородного восстановления. Для генерирования воздушно-плазменных потоков используется высокочастотный факельный плазмотрон (ВЧФ-плазмотрон) с большим ресурсом непрерывной работы. В качестве дешевого плазмообразующего газа используется воздух, что позволяет применять плазмотрон для получения чистых целевых продуктов. Еще одно ноу-хау политехников: применение после плазмохимического реактора резкого охлаждения («закалки») получаемых продуктов в центробежно-барботажных аппаратах системы «мокрой» очистки отходящих газов. Эта технологическая мера позволяет, во-первых, сохранить требуемый  фазовый состав получаемых топливных оксидных композиций и не допустить его распада и/или преобразования, а во-вторых, отделить от пылепарогазовой смеси целевой продукт в виде водной суспензии.

«Наши исследования в этом направлении были поддержаны грантом РНФ. В рамках доклада я представляю результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса. Во-первых, в результате теплофизических расчетов определены составы растворов ВОНР, обеспечивающих их энергоэффективную  плазменную переработку. Во-вторых, на основе результатов термодинамического моделирования процесса плазменной переработки растворов ВОНР определены условия, обеспечивающие плазмохимический синтез топливных оксидных композиций требуемого фазового состава. В-третьих, в результате экспериментальных исследований на модельных растворах ВОНР, включающих водные нитратные растворы неодима (вместо урана), церия (вместо тория) и металл матрицы (магний), определены режимы, необходимые для синтеза в воздушно-плазменном потоке наноструктурных оксидных композиций, удовлетворяющих требованиям к ядерному топливу для реакторов ВТГР.

За три года мы провели сотни опытов. Таким образом мы воспроизводим, по сути, реальный процесс производства ядерного топлива. Это позволит нам, когда это понадобится, использовать полученные результаты  на реальном предприятии для практической реализации процесса. Следующий этап наших исследований — изучение теплопроводности полученных порошков», — поясняет Александр Каренгин.