В Китай е създадена нова компания, която ще разработва, демонстрира и подготвя за комерсиализация микрореактор с уран-циркониев хидрид (U-ZrH) като гориво и оловно-бисмутова сплав като топлоносител. Според публикуваната информация дружеството е регистрирано в Чънду с уставен капитал от 1 млрд. юана, приблизително 140–150 млн. долара според валутния курс. Около 97% от капитала се осигуряват от инвестиционни компании и фондове, а Националният институт за ядрена енергетика (NPIC) участва с 3% и предоставя технологията за проекта.
Новината е показателна за опита на Китай да превърне разработките на компактни ядрени източници в промишлен продукт. Предвидените дейности включват разработване на реактора, изграждане на демонстрационна установка и последваща комерсиализация. Регистрираният капитал обаче не трябва да се разглежда като вече изразходван бюджет за изграждане на реактора, а обявените намерения не са доказателство за постигната промишлена готовност.
Особен интерес представлява съчетаването на уран-циркониев хидрид като гориво с оловно-бисмутова сплав като топлоносител. Това са две технологии с различни функции. Хидридната матрица участва в забавянето на неутроните, докато течнометалният топлоносител осигурява преноса на топлина от активната зона към системата за преобразуване на енергията. Тяхното съчетаване поставя специфични изисквания към неутронно-физичните характеристики, материалите, химичния контрол на топлоносителя и системите за безопасност.
Оловно-бисмутовото охлаждане има исторически аналог в Съветския съюз. Такива реакторни установки са използвани в атомната подводница К-27 от проект 645 и в подводниците от проектите 705 и 705К, известни в западната литература като клас „Алфа“. Тези установки са разработени за корабно задвижване, при което компактността, високата специфична мощност и бързото реагиране на енергийната система са били водещи проектни критерии.
Реакторите обаче не са преки аналози на китайската концепция. Съветските установки използват уран-берилиева горивна система и са проектирани за различна неутронна физика и значително по-висока топлинна мощност. Китайският проект се основава на U-ZrH гориво и е насочен към микрореакторно енергоснабдяване. Общият топлоносител позволява да се сравняват инженерните проблеми на първичния контур, но не доказва идентичност на активните зони или на системите за безопасност.
Първият съветски опит с този тип охлаждане е свързан с подводницата К-27, оборудвана с два реактора РМ-1 с топлинна мощност приблизително 73 MW всеки. На 24 май 1968 г. възниква тежка авария в единия реактор. Нарушаването на нормалния топлообмен и проблемите, свързани със състоянието на топлоносителя и активната зона, водят до сериозно повреждане на горивото и до тежки радиационни последици за екипажа. Девет моряци умират от остра лъчева болест. Подводницата не се връща към нормална експлоатация и през 1981 г. е потопена в залива Степового край Нова Земя с реакторите и ядреното гориво на борда.
Следващото поколение, използвано в проектите 705 и 705К, включва реакторните установки ОК-550 и БМ-40А. Тяхната топлинна мощност е приблизително 155 MW на реактор. Въпреки сериозните технически и експлоатационни ограничения, тези установки осигуряват реален опит с течнометално охлаждане в продължителна военноморска експлоатация. Този опит е ценен не защото доказва безусловната безопасност на технологията, а защото разкрива конкретните механизми, които трябва да бъдат управлявани.
Един от основните проблеми е химичното взаимодействие между оловно-бисмутовата сплав и конструкционните материали. При недостатъчна кислородна активност защитните оксидни слоеве върху стоманените повърхности могат да се разрушат и да се ускори корозията. При прекомерно окисление се създават условия за образуване на твърд оловен оксид и други отложения. Натрупването им може да затрудни циркулацията на топлоносителя, да влоши топлообмена и да създаде локални условия за недостатъчно охлаждане.
Решението на този проблем е свързано с разработването на кислородна технология за управление на топлоносителя. Тя предполага контролирано поддържане на кислородната активност в диапазон, който позволява образуването на защитни оксидни слоеве върху конструкционните материали, без да се предизвиква прекомерно образуване на твърди оксидни продукти. За целта се използват контролирано въвеждане на кислород, измерване на концентрацията му и методи за пречистване на топлоносителя от примеси и корозионни продукти.
В този контекст трябва да се изясни и въпросът за контролираното въвеждане на вода в оловно-бисмутовата сплав. Взаимодействието на водни пари с течнометалния топлоносител е предмет на научни изследвания, особено във връзка с възможни микротечове от парогенераторите. Водната пара може да участва в химични реакции, при които се образува водород и се променя химичното равновесие в сплавта. Това обаче не означава, че умишленото въвеждане на вода в първичния контур е установен съветски метод за предотвратяване на корозията.
Научните изследвания върху взаимодействието на олово и оловно-бисмутова сплав с газообразни окислители разглеждат поведението при наличие на водна пара и условията за образуване на оксидни продукти. Резултати от отделни стендови експерименти показват, че при определени условия на микротеч може да не се образува твърд оловен оксид. Тези резултати са ограничени до конкретните изпитвателни условия и не могат да бъдат обобщени като доказателство, че водата е подходящо средство за регулиране на корозията в работещ реактор.
Необходимо е да се разграничат две различни явления. Контролираното регулиране на кислородната активност е целенасочен метод за управление на корозията и оксидните отложения. Попадането на вода или водна пара от вторичния контур в оловно-бисмутовия топлоносител е потенциално опасно отклонение, чиито последици зависят от температурата, налягането, количеството на проникналата вода и конструкцията на топлообменника. Образуването на водород при определени химични реакции не превръща подобен теч в безопасен механизъм за управление на топлоносителя.
Друг съществен проблем е температурата на втвърдяване на оловно-бисмутовата евтектична сплав, която е приблизително 125°C. При спиране на реактора топлоносителят трябва да се поддържа в течно състояние чрез подходяща система за подгряване. Неконтролираното втвърдяване може да блокира циркулационни пътища и да усложни последващото пускане. Аварията на подводницата К-123 през 1982 г., свързана с изтичане и втвърдяване на топлоносител, показва, че този риск не е теоретичен.
За китайския микрореактор съветският опит е най-пряко приложим при проектирането на течнометалния контур. Той може да помогне при разработването на системи за контрол на кислородната активност, пречистване на сплавта, откриване на течове, предотвратяване на втвърдяването и осигуряване на надеждно отвеждане на остатъчната топлина. В същото време неутронно-физичните характеристики на U-ZrH горивото, поведението му при облъчване и съвместимостта му с оловно-бисмутовата сплав трябва да бъдат доказани чрез отделни изчисления и експериментални изпитвания.
Хидридното гориво може да осигури значителна отрицателна температурна обратна връзка, позната от реакторите с уран-циркониев хидрид. При повишаване на температурата неутронно-физичните характеристики на матрицата се изменят така, че реактивността може да намалее. Големината на този ефект обаче зависи от конкретния състав и геометрията на активната зона. Не е достатъчно да се посочи U-ZrH, за да се докаже, че китайският реактор притежава същите коефициенти на реактивност като други хидридни реактори.
Следователно съветският опит не доказва безопасността на новата китайска концепция, но предоставя ценна инженерна база за управление на оловно-бисмутовия топлоносител. Основният урок от историята на тези установки е, че предимствата на течнометалното охлаждане могат да бъдат реализирани само при строг контрол на химичния състав, корозията, оксидните отложения и температурния режим. За да премине от демонстрационен проект към промишлено приложение, китайският микрореактор ще трябва да потвърди тези характеристики в собствената си конструкция и при реални експлоатационни условия.
