Достоинства

Использование жидкометаллических теплоносителей в ядерных установках имеет ряд преимуществ:

1. Жидкие металлы имеют малую упругость паро́в. Давление в системе определяется только потерей напора в контуре, которое обычно меньше 7 атм. Низкое давление существенно упрощает конструкцию и эксплуатацию как реактора, так и вспомогательного оборудования станции.

2. Высокая температура кипения жидких металлов обеспечивает большую гибкость в работе. Например, если температура теплоносителя на выходе из реактора значительно повысится, то расплавления тепловыделяющего элемента, обусловленного образованием парово́й плёнки, как это происходит при охлаждении водой, не произойдет. Допустимые тепловые потоки практически не ограничены критическими тепловыми нагрузками. Реактор с натриевым контуром имеет тепловые потоки до 2,3·10⁶ ккал/м²·ч и удельную объёмную напряжённость 1000 кВт/л.

3. Высокая электропроводность жидких щелочных металлов позволяет полностью использовать герметизированные электронасосы (постоянного и переменного тока). По расходу энергии на прокачивание жидкие металлы лишь немногим уступают воде. Из жидких металлов лучшие характеристики по расходу энергии на прокачивание имеют щелочные металлы. Если, например, расход энергии на прокачивание жидкого натрия принять за единицу, то для ртути это будет 2,8, а для висмута 4,8.

4. В отличие от других жидких металлов, Na и Na—K оказывают малое коррозионное и эрозионное воздействие на конструкционные материалы. Для натрия и эвтектики Na—K можно применять многие из обычных материалов.

5. Наиболее дешёвым из жидких металлов является натрий, затем свинец и калий. Поскольку объём теплопередающей системы обычно относительно невелик, а перезарядка производится редко, затраты на теплоноситель незначительны.

Недостатки

1. Щелочные металлы обладают большой химической активностью. Наибольшую опасность представляет реакция с водой. Поэтому в системах с пароводяными циклами должны быть предусмотрены устройства, обеспечивающие взрывобезопасность. Соприкосновение с паром или с кислородом воздуха неопасно (поддерживающейся реакции горения нет), но чтобы избежать окисления металла, соприкосновение его с воздухом должно быть исключено, так как окись Na не растворима в жидком Na и Na—K, а включение окислов может привести к закупорке отдельных каналов. Наличие в жидком Na и Na—K окислов натрия ухудшает также коррозионные свойства теплоносителей. Натрий и Na—K должны храниться в среде инертного газа (He, Ar).

2. Активация теплоносителя приводит к необходимости устраивать для наружной части контура теплопередающей системы биологическую защиту. Решение этой проблемы усложняется при γ-излучении высокой энергии или при тормозном излучении. Изотопы Na и К имеют малые периоды распада, но при загрязнении металла активными примесями с большим периодом распада задача защиты от активности усложняется, и требуется создание такой конструкции, которая позволяла бы выводить весь жидкий металл из системы при ее ремонте. Отмеченные обстоятельства вынуждают предъявлять повышенные требования к химической чистоте жидких металлов. Жидкие металлы являются одноатомными веществами, поэтому проблема радиационных нарушений в теплоносителях не возникает. Хотя некоторая часть атомов жидкого металла и превращается в другой металл (например, ²⁴Na переходит в ²⁴Mg), но количество таких превращений при существующих нейтронных потоках в реакторах ничтожно мало.

3. Дополнительные устройства, применение которых необходимо в связи с использованием жидкометаллических теплоносителей, значительно усложняют технологическую схему ядерно-энергетической установки.Такими дополнительными устройствами являются:

   1. установка для плавления и передавливания жидкого металла в контур (для Na—K-эвтектики плавильный бак не требуется);

   2. устройство для удаления окислов. Через это устройство, включенное параллельно основному контуру, устанавливается небольшой расход жидкого металла; таким образом, осуществляется непрерывная очистка теплоносителя от окислов;

   3. ловушки для паро́в жидкого металла, уносимых газовым потоком из системы при её опорожнении и заполнении. Газовые потоки с пара́ми жидкого металла возможны и из других аппаратов (буферные бачки и пр.).

К недостаткам использования жидкого натрия необходимо отнести также его способность проникать в поры графита. Наличие большого количества балластного натрия в порах привело бы к большим потерям нейтронов из-за относительно большого сечения захвата нейтронов натрием. Для предотвращения контакта между натрием и графитом, последний обычно защищается фольгой из металла (например, циркония), слабо поглощающего нейтроны.

Реактор на расплавах солей (жидкосолевой реактор, ЖСР, MSR) является одним из видов ядерных реакторов деления, в которых основой охлаждающей жидкости является смесь расплавленных солей, которая может работать при высоких температурах (выше - лучше для термодинамической эффективности), оставаясь при этом при низком давлении. Это уменьшает механические напряжения и повышает безопасность. Ядерное топливо – жидкое и оно же является теплоносителем, что упрощает конструкцию реактора, уравнивает выгорания топлива, а также позволяет заменять горючее, не останавливая реактор. Одним из видов MSR и основным из разрабатываемых является жидкость на основе фторидов тория-232 и урана-233. Во многих конструкциях ядерное топливо растворяется в расплавленном фториде теплоносителя – в соли тетрафторида. В расплав также добавлены литий и бериллий. Реакторы могут быть основаны на ториевом или на урановом топливном цикле.

При ториевом топливном цикле цепная ядерная реакция возможна только при захвате торием-232 медленных нейтронов, что требует наличия замедлителя нейтронов. Замедлителем является графит, расположенный непосредственно в самом реакторе, с регулирующими стержнями. При аварийной ситуации, когда регулирующие стержни не работают, реактор начинает перегреваться, но жидкость под действием силы тяжести сливается в аварийно-резервное хранилище, заполненное холодным раствором соли. В качестве аварийного клапана предлагается использовать пробку из более тугоплавкой соли. Нагретая соль направляется в первый теплообменник, через который циркулирует соль второго контура, не содержащая радиоактивных веществ. Этот расплав соли направляется в следующий теплообменник, где тепло передаётся гелию или водяному пару. На горячем газе работают турбины, вращающие генераторы.

MSR-реактор работает при высокой температуре, 600 – 700 °C, что НЕ превышает точку кипения расплава солей. Поэтому в реакторе давление немного выше 1 кг/см², что позволяет обойтись без тяжёлого и дорогого корпуса. Еще одно преимущество MSR-реактора – небольшая активная зона, что требует меньше материалов для защиты.

MSR-реактор – использует торий-232 в качестве горючего, но в техническом смысле торий не является ядерным горючим, поскольку он не распадается и не может породить цепную реакцию. Но с помощью нейтрона со стороны торий можно расщепить. Эту роль выполняет уран-233. Ядро тория-232 захватывает нейтрон. После этого происходит бета-распад и изначальный торий-232 превращается через несколько промежуточных продуктов в уран-233. Таким образом, единственным расходуемым веществом является торий-232.

Расход ядерного горючего оценивается примерно в 1000 кг тория на 1000 мегаватт произведённой энергии. Высокорадиоактивных отходов производится при этом около тонны в год. Через 10 лет 83 процента из них стабилизируется, а оставшиеся 17 процентов необходимо захоронить на 300 – 500 лет. Плутония производится всего 30 грамм, поэтому такой реактор нельзя применить для производства оружейного плутония. Известные мировые запасы тория 2,23 миллиона тонн, приблизительные неразведанные составляют ещё 2,13 млн.т.

MSR-техника не так хорошо известна даже среди инженеров ядерной энергетики. Но её история начиналась ещё в 1940-х. До конца 1960-х были попытки приспособить такие реакторы, используя их малые габариты, в качестве источника энергии на самолёты. Первый такой опытный ректор действовал в 1954, бомбардировщик B-36 был оснащён им в 1955 – 1957. Ракетные технологии и межконтинентальные ракеты сделали такие самолёты, остающиеся в воздухе и не требующие дозаправки неделями, ненужными.

Главная причина того, почему MSR-реакторов сейчас нет в массовом практическом использовании, несмотря на огромные запасы сырья и малое количество отходов, – торий не был сырьём для изготовления ядерного оружия. Интерес к развитию электростанций, использующих торий, остывал в 1950 – 1960, по мере того, как разгоралась холодная война. Мегатонны тогда были важнее мегаватт, а сейчас из мегатонн получают мегаватты – треть мирового ядерного горючего на 2011 год родом из устаревшего и сокращённого ядерного оружия – урана и плутония. По состоянию на 2011 год действуют 440 реакторов, из которых 350 водо-водяных реакторов — с водой под давлением.