Исследование физико-химических параметров перспективных теплоносителей для ядерного реактора на расплавах солей — фторидов щелочных металлов и лантаноидов, провела команда ученых из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ), Института высокотемпературной электрохимии РАН и Уральского федерального университета, 7 июня сообщает пресс-служба НИЯУ МИФИ.

Ядерные реакторы на расплавах солей, являющиеся реакторами нового типа, обладают рядом преимуществ перед традиционными, в которых теплоносителем служит вода (ВВЭР). В новых реакторах теплоносители представляют собой смесь расплавленных солей. Их достоинства пояснил профессор кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Константин Катин:

«В отличие от традиционных теплоносителей, расплавленные соли могут иметь высокую температуру, выше 700 градусов Цельсия, при нормальном давлении, что обеспечивает высокий КПД реактора. А как известно из термодинамики, чем выше температура, тем лучше КПД. Отсутствие высокого давления очень важно — это упрощает и удешевляет конструкцию реактора и делает его безопасным. К тому же жидкое топливо можно понемногу добавлять в активную зону, не останавливая реактор, что исключает возможность мощного взрыва».

Еще одним преимуществом реакторов, работающих на расплавах солей, является то, что их можно использовать для «дожигания» радиоактивных отходов. В настоящий момент Росатом строит такой реактор в Железногорске.

Перспективными теплоносителями для ядерных реакторов на расплавах солей являются фториды щелочных металлов и лантаноидов. При этом, как отметил Константин Катин, для их применения необходимо знать их физико-химические параметры и в первую очередь вязкость и теплопроводность при рабочих температурах.

Однако высокие температуры и радиоактивность такой смеси затрудняют измерение этих параметров напрямую. Выходом может служить компьютерное моделирование, однако для лантаноидов его также не просто выполнить, как для легких элементов.

«Мы провели многомасштабное моделирование смеси фторидов лития, натрия, калия, лантана и неодима. Используя релятивистские псевдопотенциалы для лантаноидов, мы определили законы их взаимодействия друг с другом и с другими атомами из первых принципов квантовой механики. На основе полученных данных мы подобрали параметры классического потенциала, в которые удалось „спрятать“ всю сложность квантовой механики. Это позволило провести классическое молекулярно-динамическое моделирование, чтобы исследовать процессы теплопереноса в расплаве», — рассказал исследователь.

Он уточнил, что механизм теплопереноса в расплавах сложнее характерного для твердых тел фононного механизма. В случае расплава тепло может переноситься за счет ионных связей, время существования которых исчисляется десятками и сотнями пикосекунд, а также электромагнитными волнами, возникающими при колебаниях ионов и поглощаемыми расплавом.

Проведя подробное моделирование этих процессов, ученые выявили зависимость теплопроводности и вязкости смеси от ее состава в диапазоне рабочих температур теплоносителя в реакторе, составляющих 750–1020 К.

«Разработанный нами многомасштабный подход будет полезен и для других фторидов лантаноидов и актиноидов, которые могут входить в состав ядерного топлива. Компьютерные исследования заменяют часть дорогостоящих и опасных экспериментов, необходимых для оптимизации работы реактора», — указал Константин Катин.

Результаты исследования были представлены в статье «Молекулярно-динамическое исследование температурной зависимости вязкости и теплопроводности расплавов солей FLiNaK и FLiNaK с LaF₃ или NdF₃», опубликованной в Journal of Molecular Liquids.