Соль вместо воды

Жидкая вода, солёная вода, а как насчёт жидкой соли? Зачем изучать расплавленные соли и для чего они могут нам пригодиться, рассказывает кандидат химических наук Юрий Стулов, старший научный сотрудник лаборатории высокотемпературной химии и электрохимии Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН.

— Юрий Вячеславович, расскажите, чем занимается ваша лаборатория?  

— В нашей лаборатории мы занимаемся исследованиями химии и электрохимии тугоплавких и редкоземельных металлов, а также способов получения их соединений в среде расплавленных солей при относительно высоких температурах. Это нужно, например, для решения проблем, связанных с разработкой новых типов атомных реакторов и утилизацией отработанного ядерного топлива.

— А как связана соль и ядерная энергетика?

— Существуют разные типы реакторов – в том числе реакторы на расплавленных солях, и к ним в последнее время, особенно после аварии на Фукусиме, значительно вырос интерес. Эти реакторы обладают естественной безопасностью: расплавленная соль используется в качестве теплоносителя, она имеет высокую температуру кипения, работает при атмосферном давлении, не требуется сложной и дорогостоящей конструкции для работы, как в водо-водяных ядерных реакторах, в которых вода используется при повышенном давлении. Хотя на текущий момент водо-водяные ядерные реакторы достигли очень высокого прогресса и высокой степени безопасности. У нас в России практически все стационарные ядерные электростанции работают на реакторах с водой в качестве теплоносителя. Только на  Белоярской АЭС используются реакторы на быстрых нейтронах, где в качестве теплоносителя используется расплавленный натрий.

— Какую роль выполняет вода в реакторе?

— Вода первого контура забирает тепло из ядерного реактора и нагревается до высоких температур, поэтому необходимо поддерживать её в жидком состоянии. Для этого и чтобы коэффициент полезного действия реактора был максимально высоким, требуются высокие давления. В случае жидко-солевого реактора теплоносителем служит расплавленная соль. Она сама по себе имеет высокую температуру плавления и кипения, поэтому остаётся жидкой при обычном атмосферном давлении. Не требуются такие дорогостоящие системы поддержания высокого давления и устройства безопасности.

— Значит, жидко-солевой реактор более безопасен?

— Именно так. Есть ещё момент: если ядерная реакция в среде расплавленных солей по каким-то причинам начинает ускоряться и происходить всё интенсивнее, то солевая смесь под воздействием тепла расширяется, и это сразу же снижает эффективность ядерной реакции. Также в такой системе можно сделать плавкий «предохранитель», например, солевую пробку, которая расплавится при повышении температуры выше допустимой. В этом случае расплавленная соль под действием гравитации сольётся в специальную ёмкость, в которой протекание ядерной реакции невозможно. Получается, что реактор сам себя заглушит в случае внештатных ситуаций.

— И тогда не будет никаких человеческих ошибок?

— Да, потому что всё будет работать на естественных физических принципах, без каких-то дополнительных систем управления. Превысили температуру плавления предохранителя – после этого реакция самопроизвольно остановится. В принципе, крупные катастрофы, связанные с ядерной энергетикой – это почти всегда какие-либо не учтённые фундаментальные факторы.

— Эта технология где-то применяется в настоящее время?

— На данный момент многие страны занимаются разработкой подобных жидко-солевых реакторов. Я знаю, что во Франции разрабатывают модульные реакторы: от небольших до крупных размеров. Китай планирует построить контейнеровоз с ядерным реактором на жидких солях, они уже заложили такое судно.

— Значит, жидкая соль –  перспективная ядерная технология будущего?

— В целом, да. На мой взгляд, основной плюс таких реакторов – возможность их уменьшения. Если водо-водяной ядерный реактор требует целого города-спутника рядом с собой, то реактор на расплавленных солях при соизмеримой безопасности может быть гораздо компактнее.

— Вы сказали, что ваши исследования могут помочь утилизировать отработанное ядерное топливо. А как именно?

— Мы занимаемся исследованиями свойств лантаноидов и других продуктов деления. Это может применяться для переработки классического ядерного топлива. В общих чертах технология выглядит следующим образом: тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), содержащие делящиеся материалы и продукты деления, сначала разрезают на небольшие фрагменты, которые затем растворяют в среде расплавленных солей. Благодаря разнице в электрохимических свойствах актиноидов и лантаноидов их можно достаточно эффективно разделять. Актиноиды – это материалы, которые используются как топливо – они могут быть извлечены и вновь запущены в ядерный цикл. Это один из вариантов замыкания ядерного топливного цикла.

— Так получается возобновляемая атомная энергия?

— Дело в том, что ядерные реакции очень эффективны. Используя лишь малое количество делящихся материалов, можно производить большое количество энергии. Основная проблема в том, что ценные делящиеся материалы на данный момент никак не возобновляются, и в малой степени попадают назад в ядерный цикл. Процесс замыкания цикла, если мы научимся эффективно разделять продукты деления, может стать практически неисчерпаемым источником энергии. Наши коллеги из Екатеринбурга и из Уральского отделения РАН осуществляют большой проект с «Росатомом» по замыканию ядерного цикла. Они тоже очень активно занимаются исследованиями материалов – и делящихся, и продуктов деления, и лантаноидов.

— Вы же тоже этим занимаетесь?

— У нас – только лаборатория высокотемпературной химии и электрохимии, а у них – целый институт высокотемпературной электрохимии. Если нас здесь около десяти человек, то в институте – несколько сотен исследователей. Ядерная проблематика там активно продвигается,  у них много проектов с «Росатомом», и в ближайшее время они планируют строить пилотную установку с технологией такой переработки. Но и наша работа важна и нужна.

— В чём оригинальность ваших исследований?

— Мы провели большую работу по систематическому исследованию электрохимических свойств самария, европия и тербия в разных расплавленных солях. Мы нашли определённые закономерности – как природа лантаноидов, их положение в ряду периодической таблицы влияет на электрохимические свойства. Результаты этих работ мы успешно опубликовали в Journal of The Electrochemical Society.

Юрий Стулов. Фото из личного архива.

— Это уникальные исследования?

— Да. Я не видел в мировой литературе подобных систематических исследований.

— Какие ещё работы ведутся в вашей лаборатории?

— Несколько лет назад мы занимались совместными исследованиями с ЦНИИ «Электроприбор», базирующимися в Ленинградской области, в Гатчине. Мы работали над технологией создания ротора криогенного гироскопа. Гироскоп – это устройство для навигации, которое позволяет определять положение аппарата в пространстве. Использование криогенного гироскопа, работающего в условиях сверхпроводимости и крайне низких температур,  позволяет очень сильно повысить точность данных измерений. Это важно, например, для космической навигации. Мы разработали технологию создания сферического покрытия из высокочистого ниобия на сферической подложке из сверхпроводящего металла. В качестве металла был выбран ниобий, потому что он обладает достаточно высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, порядка 9 Кельвин. Первая опытная партия роторов уже передана заказчику.

— Ваши исследования  скорее прикладные или всё же больше фундаментальные?

— Если отвлечься от того,  что связано с непосредственным практическим использованием, моя работа – теоретические квантово-химические исследования по процессу переноса электронов в расплавленных солях.

— Это тоже ядерные технологии?

— Нет. Это может применяться к любым электрохимическим процессам.  Дело в том, что проводить эксперименты в водной среде при невысоких температурах в комнатных условиях гораздо проще, это не требует дорогостоящего оборудования – печей, инертной атмосферы и прочего. Поэтому о механизмах электрохимии в водных растворах известно гораздо больше, чем в среде расплавленных солей. Своими работами мы пытаемся немного устранить этот дисбаланс.

Если рассматривать расплавленные соли, как, например, среду для получения металлов, то по сравнению с водными растворами там процессы идут более интенсивно, поскольку у нас отсутствует непроводящий растворитель – вода, соответственно, имеются более высокие значения электропроводности. Как следствие более высоких температур,  можно эти процессы интенсифицировать, в несколько раз повысить производительность электролизёров по получению тех или иных металлов. Это с одной стороны.

А с другой стороны, мы можем получать металлы без газовых примесей. Дело в том,  что электролизные процессы получения металлов из водных растворов осложнены одновременным разложением воды и выделением водорода. И,  например, такие металлы как никель очень активно поглощают водород, из-за чего их механические и физические свойства могут быть хуже, чем у чистых металлов. Поскольку в среде расплавленных солей вода отсутствует, то никакого выделения водорода нет, и получаются более чистые металлы без газовых примесей. Соответственно, мы можем двигаться в направлении получения высокочистых металлов – это конкурентное преимущество расплавленных солей.

— Почему же все тогда не используют соли для получения металлов?

— Электрохимия расплавленных солей развита гораздо хуже, чем электрохимия водных растворов, поскольку механизмы и теоретические представления о переносе электрона через границу раздела фаз, с электрода на ион или комплекс и обратно, малоизучены. Здесь незаменимый инструмент – это квантовая химия, благодаря которой мы можем рассмотреть, как протекает процесс переноса электрона. Разрабатываемые нами методы могут наглядно показать,  как электрон может перейти с поверхности электрода на катион  металла в среде расплавленных солей. Это очень большие, важные исследования, которые напрямую вроде бы не несут большой значимости прямо сейчас, но обязательно будут востребованы в перспективе.

— Как скоро?

— Трудно сказать. Они могут получить свое практическое применение спустя годы или десятилетия. Таковы проблемы всех фундаментальных исследований.

— Если есть хорошая практическая база, применение будет успешнее?

— Конечно. Сначала идёт большое накопление фундаментальных знаний на протяжении десятилетий, а потом из этих знаний рождается какая-то прорывная технология. Это неизбежный процесс.

— Значит, расплавы солей – это очень перспективно?

— Безусловно. Почему Китай так активно этим занимается? Дело в том, что для реактора на расплаве солей возможен ториевый топливный цикл. Не на уране, а именно на тории. У Китая очень большие запасы тория, и они видят развитие своей энергетики именно в этом направлении. Вообще получение металлов в промышленности так или иначе связано с расплавленными солями.  Получение алюминия – это электролиз криолитовых расплавов. Или титан – его не получают при помощи расплавленных солей, но используют магний, который выделяют из расплавленных солей. Это очень элегантный процесс с точки зрения химии. Титановый концентрат нужно хлорировать для получения  тетрахлорида титана, из которого потом титан восстанавливают магнием. А магний и хлор получают электролизом хлорида магния.  Выделяющийся хлор уходит на хлорирование, а магний – на магний-термическое восстановление титана. В результате снова получается хлорид магния, который опять подвергают разложению на хлор и магний. Это хороший пример постоянного рециклинга одних и тех же реагентов. Очень многие металлы получают либо алюмо-термическим восстановлением,  либо магний-термическим, либо кальций-термическим. И без электролиза расплавленных солей тут никак не обойтись.