Реактор с жидкометаллическим охлаждением
Ядерный реактор с жидкометаллическим охлаждением , или LMR, представляет собой тип ядерного реактора , в котором основным теплоносителем является жидкий металл . Реакторы с жидкометаллическим теплоносителем были впервые адаптированы для выработки электроэнергии реакторами-размножителями . Они также использовались для питания атомных подводных лодок .
Благодаря высокой теплопроводности металлические охлаждающие жидкости эффективно отводят тепло, обеспечивая высокую удельную мощность . Это делает их привлекательными в ситуациях, когда размер и вес имеют большое значение, например, на кораблях и подводных лодках. Большинство конструкций реакторов на водной основе находятся под высоким давлением, что приводит к повышению температуры кипения (тем самым улучшая возможности охлаждения), что создает проблемы безопасности и обслуживания, которых нет в жидкометаллических конструкциях. Кроме того, высокая температура жидкого металла может использоваться для управления циклами преобразования энергии с высокой термодинамической эффективностью. Это делает их привлекательными для повышения выходной мощности, экономической эффективности и топливной эффективности на атомных электростанциях.
Жидкие металлы, обладая высокой электропроводностью, можно перемещать с помощью электромагнитных насосов . [1] К недостаткам относятся трудности, связанные с осмотром и ремонтом реактора, погруженного в непрозрачный расплавленный металл, и, в зависимости от выбора металла, проблемой может быть опасность пожара (для щелочных металлов ), коррозии и/или образования продуктов радиоактивной активации.
Приложения
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Март 2024 г. ) |
Жидкометаллический теплоноситель применялся как в реакторах на тепловых , так и на быстрых нейтронах .
На сегодняшний день большинство реакторов на быстрых нейтронах имеют жидкометаллическое охлаждение и поэтому называются быстрыми реакторами с жидкометаллическим охлаждением (LMFR). При конфигурации в качестве реактора-размножителя (например, с бланкетом воспроизводства) [ необходимо определение ] ), такие реакторы называются жидкометаллическими быстрыми реакторами-размножителями (ЖМБР).
Свойства охлаждающей жидкости
[ редактировать ]Подходящие жидкометаллические теплоносители должны иметь низкое сечение реактора захвата нейтронов, не должны вызывать чрезмерную коррозию конструкционных материалов и должны иметь температуры плавления и кипения, соответствующие рабочей температуре .
Жидкие металлы обычно имеют высокие температуры кипения , что снижает вероятность закипания охлаждающей жидкости, что может привести к аварии с потерей охлаждающей жидкости . Низкое давление паров позволяет работать при давлении, близком к атмосферному , что еще больше снижает вероятность несчастного случая. В некоторых конструкциях вся активная зона и теплообменники погружаются в ванну с охлаждающей жидкостью, что практически исключает риск потери охлаждения внутреннего контура.
| Металлическая охлаждающая жидкость | Температура плавления | Точка кипения |
|---|---|---|
| Меркурий | -38,83 ° C (-37,894 ° F) | 356,73 ° С (674,114 ° F) |
| Натрий | 97,72 ° С (207,896 ° F) | 883 ° С (1621,4 ° F) |
| НаК | −11 ° C, (12,2 ° F) | 785 ° С (1445 ° F) |
| Вести | 327,46 ° С (621,428 ° F) | 1749 ° С (3180,2 ° F) |
| Эвтектика свинец-висмут | 123,5 ° С (254,3 ° F) | 1670 ° С (3038 ° F) |
| Полагать | 231,9 ° С (449,42 ° F) | 2602 °С (4715,6 °Ф) |
Меркурий
[ редактировать ]Клементина была первым ядерным реактором с жидкометаллическим охлаждением, в котором использовался ртутный теплоноситель, который считался очевидным выбором, поскольку он является жидким при комнатной температуре. Однако из-за недостатков, включая высокую токсичность, высокое давление паров даже при комнатной температуре, низкую температуру кипения с образованием вредных паров при нагревании, относительно низкую теплопроводность, [2] и высокий [3] нейтронное сечение , оно вышло из моды.
Натрий и NaK
[ редактировать ]Натрий и NaK ( эвтектический натриево-калиевый сплав) не вызывают существенной коррозии стали и совместимы со многими видами ядерного топлива, что позволяет использовать широкий выбор конструкционных материалов. NaK использовался в качестве теплоносителя в первом прототипе реактора-размножителя, Экспериментальном реакторе-размножителе-1 , в 1951 году.
Однако натрий и NaK самопроизвольно воспламеняются при контакте с воздухом и бурно реагируют с водой, образуя газообразный водород. Так было на АЭС Монджу во время аварии и пожара в 1995 году. Натрий также является теплоносителем, используемым в российских реакторах серии БН и китайских реакторах серии CFR, находящихся сегодня в коммерческой эксплуатации. [ нужна ссылка ] Нейтронная активация натрия также приводит к тому, что эти жидкости становятся чрезвычайно радиоактивными во время работы, хотя период полураспада короткий, и поэтому их радиоактивность не вызывает дополнительных проблем при утилизации.
Есть два предложения по LMFR поколения IV с натриевым охлаждением : одно на основе оксидного топлива, другое на интегральном быстром реакторе с металлическим топливом .
Вести
[ редактировать ]Свинец обладает превосходными нейтронными свойствами (отражение, низкое поглощение) и является очень мощной радиационной защитой от гамма-лучей . Высокая температура кипения свинца обеспечивает преимущества в плане безопасности, поскольку она может эффективно охлаждать реактор, даже если она достигает нескольких сотен градусов Цельсия выше нормальных условий эксплуатации. Однако, поскольку свинец имеет высокую температуру плавления и высокое давление паров, заправлять и обслуживать реактор со свинцовым охлаждением сложно. Точку плавления можно понизить, легировав свинец висмутом , но эвтектика свинец-висмут очень агрессивна по отношению к большинству металлов. [4] [5] используется для конструкционных материалов.
Эвтектика свинец-висмут
[ редактировать ]Эвтектика свинец-висмут позволяет работать при более низких температурах, предотвращая при этом замерзание металлического теплоносителя в более низком температурном диапазоне ( эвтектическая точка : 123,5 °C / 255,3 °F) . [4] [6]
Помимо своего крайне коррозионного характера, [4] [5] его основным недостатком является образование при нейтронной активации 209
Би (и последующий бета-распад ) 210
Po ( T 1 ⁄ 2 = 138,38 дня), летучий альфа-излучатель, обладающий высокой радиотоксичностью (самая высокая известная радиотоксичность , выше, чем у плутония ).
Полагать
[ редактировать ]Хотя олово сегодня не используется в качестве теплоносителя для работающих реакторов, поскольку оно образует корку, [7] он может быть полезным дополнительным или заменяющим теплоносителем при ядерных катастрофах или авариях с потерей теплоносителя .
Дополнительными преимуществами олова являются высокая температура кипения и способность образовывать корку даже на жидком олове, что помогает покрыть утечки ядовитых веществ и удерживает теплоноситель внутри и снаружи реактора. Он был испытан украинскими исследователями и был предложен для преобразования реакторов с кипящей водой во время ядерной катастрофы на Фукусиме-дайити в реакторы с жидким оловом. [8]
Движение
[ редактировать ]Подводные лодки
[ редактировать ]Советская К класса «Ноябрь» лодка -27 и все семь подводных лодок класса «Альфа» реакторы, охлаждаемые эвтектикой свинец-висмут и замедлившиеся бериллием подводная использовали в качестве двигательных установок . ( реакторы ВТ-1 в К-27 ; реакторы БМ-40А и ОК-550 в других).
Вторая атомная подводная лодка, USS Seawolf, была единственной подводной лодкой США, имевшей бериллием натриевым охлаждением и с атомную электростанцию были протечки . Он был введен в эксплуатацию в 1957 году, но в пароперегревателях , которые удалось обойти. В целях стандартизации реакторов на флоте, [ нужна ссылка ] В 1958 году с подводной лодки был снят реактор с натриевым охлаждением и бериллиевым замедлителем и заменен водо-водяным реактором .
Ядерный самолет
[ редактировать ]Реакторы с жидкометаллическим теплоносителем изучались компанией Pratt & Whitney для использования в атомных самолетах в рамках программы Aircraft Nuclear Propulsion . [9]
Производство электроэнергии
[ редактировать ]Эксперимент с натриевым реактором представлял собой экспериментальный ядерный реактор с натрий- графитовым замедлителем и графитовым замедлителем (Натрий-графитовый реактор, или SGR), расположенный в секции полевой лаборатории Санта-Сусаны , которая тогда находилась в ведении подразделения Atomics International компании North American Aviation .
В июле 1959 года в ходе эксперимента с натриевым реактором произошел серьезный инцидент, связанный с частичным расплавлением 13 из 43 топливных элементов и значительным выбросом радиоактивных газов. [10] Реактор был отремонтирован и возвращен в эксплуатацию в сентябре 1960 года и завершил работу в 1964 году. Реактор произвел в общей сложности 37 ГВт-ч электроэнергии.
SRE был прототипом АЭС Халлам , еще одного SGR с натриевым охлаждением и графитовым замедлителем, который работал в Небраске .
Ферми-1 в округе Монро, штат Мичиган, представлял собой экспериментальный быстрый реактор-размножитель с жидким натриевым охлаждением , который работал с 1963 по 1972 год. В 1963 году он пережил частичный ядерный расплав и был выведен из эксплуатации в 1975 году.
В Данри в Кейтнессе , на крайнем севере Шотландии , Управление по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA) с 1959 по 1977 год эксплуатировало быстрый реактор Данри (DFR), использующий NaK в качестве теплоносителя, экспортируя 600 ГВт-ч электроэнергии в сетку за этот период. На том же объекте на смену ему пришел прототип быстрого реактора PFR , который работал с 1974 по 1994 год и использовал в качестве теплоносителя жидкий натрий.
Советский БН-600 имеет натриевое охлаждение. БН -350 и США EBR-II Атомные электростанции имели натриевое охлаждение. В ЭБР-I для охлаждения использовался жидкометаллический сплав NaK . NaK является жидким при комнатной температуре. Жидкометаллическое охлаждение также используется в большинстве реакторов на быстрых нейтронах, включая быстрые реакторы-размножители, такие как Интегральный быстрый реактор .
Многие изученные реакторы поколения IV имеют жидкометаллическое охлаждение:
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бонин, Бернхард; Кляйн, Этьен (2012). Ядерная энергетика, объясненная физиками .
- ^ Банкер, Мерл Э. «Ранние реакторы от водяного котла Ферми до новых энергетических прототипов», глава в журнале Los Alamos Science - зима / весна 1983 г., стр. 128. Опубликовано Национальной лабораторией Лос-Аламоса и доступно здесь: http://library.lanl .gov/cgi-bin/getfile?00416628.pdf
- ^ «Длины и сечения рассеяния нейтронов» . www.ncnr.nist.gov .
- ^ Перейти обратно: а б с Уикс, младший; Романо, Эй Джей (1969). «Кривые ликвидуса и коррозия Fe, Ti, Zr и Cu в жидких сплавах Bi – Pb». Коррозия . 25 (3): 131–136. дои : 10.5006/0010-9312-25.3.131 . ОСТИ 4803122 .
- ^ Перейти обратно: а б Госсе, Стефан (июнь 2014 г.). «Термодинамическая оценка растворимости и активности железа, хрома и никеля в эвтектике свинца-висмута». Журнал ядерных материалов . 449 (1–3): 122–131. Бибкод : 2014JNuM..449..122G . дои : 10.1016/j.jnucmat.2014.03.011 . ISSN 0022-3115 .
- ^ Фацио, Кончетта; Оболочка; На, Бён Чан (1 июля 2005 г.). Справочник по технологии тяжелых жидких металлов. Подготовлено в рамках рабочей группы ОЭСР/АЯЭ по топливному циклу . Проверено 5 июня 2022 г.
- ^ Атмосферная коррозия олова и оловянных сплавов. [ мертвая ссылка ]
- ↑ Украина советует Японии использовать олово для охлаждения реактора Фукусимы Киевпост
- ^ «40 любопытных фактов о ядерной энергетике, которые вам следует знать» . 9 декабря 2019 г.
- ^ Эшли, РЛ; и др. (1961). Повреждение топливного элемента SRE, Заключительный отчет Международного специального комитета по атомной энергии (PDF) . NAA-SR-4488-доп. Архивировано из оригинала (PDF) 10 апреля 2009 г.
