ЯДЕРНЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ ТОПЛИВОМ НА ОСНОВЕ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА: РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ (ОБЗОР)

摘要

Предложения о разработках реакторных систем, в которых в качестве ядерного топлива используется UF_6, были выдвинуты в СССР и США еще в 1950-х годах, а начиная с 1970-х реакторы с UF_6 стали рассматриваться в качестве источников энергии для космических ядерных энергоустановок (ЯЭУ). Применение UF_6, циркулирующего в замкнутом контуре ЯЭУ, позволяет реализовать потенциальные преимущества проточной схемы, обусловленные подвижностью газообразного топлива, по сравнению с существующими ЯЭУ с твердой активной зоной. При различных схемах установок, компоновочных решениях реактора и специальной организации течения в тепловыделяющих элементах (твэл) может быть охвачен диапазон мощности от сотен кВт до десятков МВт. В качестве областей применения энергоустановок с циркулирующим UF_6 могут, в частности, рассматриваться: космические ЯЭУ широкого диапазона мощности для электрических и плазменных ракетных двигателей при осуществлении пилотируемого полета на Марс; реактора-лазера с прямой накачкой газовых лазерных смесей осколками деления; наземные атомные электростанции нового поколения с высокими характеристиками по топливному циклу и безопасности. На основании анализа полученных к концу 90-х годов прошлого столетия в СССР и США результатов исследований, представленных в настоящем обзоре, можно сделать вывод, что с точки зрения физики рабочих процессов и конструкционных материалов, стойких в среде UF_6, не существует непреодолимых препятствий для создания ЯЭУ с циркулирующим UF_6. Сформулирован перечень проблем, решение которых может способствовать дальнейшему развитию этого направления в случае его реализации. В разд. 1 дано описание схем твэлов и приведено экспериментальное обоснование схем организации течения в твэлах. В разд. 2 представлено расчетное и экспериментальное обеспечение разработок, включающее расчет процессов гидродинамики и тепломассообмена, теплофизические и переносные свойства гексафторида урана, особенности гексафторида урана как рабочего тела и воздействие гексафторида урана на конструкционные материалы. В разд. 3 приведен обзор проектов космических энергоустановок замкнутого и открытого типа в широком диапазоне мощностей. В разд. 4 представлено одно из перспективных направлений в области использования ядерной энергии — создание реактора-лазера. В разд. 5 рассмотрены наземные установки, в качестве которых, кроме электростанций, представляют интерес: транспортные энергоустановки; высокотемпературные технологические системы, в частности для производства водорода; установки для получения высоких нейтронных потоков и ряд других. В разд. 6 приведены соображения о проведении стендовых реакторных экспериментов с циркулирующим гексафторидом урана в активной зоне реактора, критичность которого полностью обеспечивается газообразным UF_6, которые явились бы завершающим этапом утверждения нового типа источника энергии как в космосе, так и в наземных условиях. В разд. 7 проведен анализ известных публикаций о состоянии исследований в США, которые позволяют предположить, что в США планомерно проводилась обширная программа исследований по использованию ядерных реакторов с циркулирующим UF_6 в космической и наземной энергетике, а также применительно к реакторам-лазерам. В разд. 8 перечислен ряд проблем, которые необходимо решить при создании энергетических установок с циркулирующим гексаф-торидом урана и выполнить большой объем научно-исследовательских работ. Работы по определению облика энергоустановок с циркулирующим UF_6 и гидродинамическим процессам в них велись в Центре Келдыша (до 1976 г. — НИИТГТ) под руководством Анатолия Абрамовича Павельева, автора многих идей в области гидродинамической устойчивости и турбулентности, которые были реализованы в экспериментальных устройствах и методах расчета. В память о его неоценимом вкладе в это направление исследований авторы посвящают ему настоящий обзор.