Эвтектика свинец-висмут
свинца-висмута или LBE — это эвтектический сплав свинца Эвтектика (44,5 ат. % ) и висмута (55,5 ат %), используемый в качестве теплоносителя в некоторых ядерных реакторах , а также предлагаемый теплоноситель для быстрого реактора со свинцовым охлаждением , входящего в состав проекта «Поколение». Инициатива по созданию реактора IV .Он имеет температуру плавления 123,5 °C/254,3 °F (чистый свинец плавится при 327 °C/621 °F, чистый висмут — при 271 °C/520 °F) и температуру кипения 1670 °C/3038 °F. [1] [2]
Все сплавы свинца и висмута с содержанием висмута от 30% до 75% имеют температуру плавления ниже 200 °C/392 °F.Сплавы с содержанием висмута от 48% до 63% имеют температуру плавления ниже 150 °C/302 °F. [3] В то время как свинец слегка расширяется при плавлении, а висмут слегка сжимается при плавлении, LBE имеет незначительное изменение объема при плавлении.
История
[ редактировать ]Советские подводные лодки класса «Альфа» использовали LBE в качестве теплоносителя для своих ядерных реакторов на протяжении всей холодной войны . [4]
ОКБ «Гидропресс» (российские разработчики ВВЭР типа легководных реакторов ) имеет опыт работы с реакторами LBE. СВБР-75/100, современная конструкция такого типа, является одним из примеров обширного российского опыта применения этой технологии. [5]
Gen4 Energy (ранее Hyperion Power Generation ), американская фирма, связанная с Национальной лабораторией Лос-Аламоса , объявила в 2008 году о планах спроектировать и развернуть урана, на нитридном топливе небольшой модульный реактор охлаждаемый эвтектикой свинца-висмута, для коммерческого производства электроэнергии, централизованного теплоснабжения и опреснение . Предлагаемый реактор, получивший название «Модуль Gen4», планируется как реактор герметичного модульного типа мощностью 70 МВт , собираемый на заводе и транспортируемый на площадку для установки, а затем транспортируемый обратно на завод для дозаправки. [6]
Преимущества
[ редактировать ]По сравнению с жидкометаллическими теплоносителями на основе натрия, такими как жидкий натрий или NaK , теплоносители на основе свинца имеют значительно более высокие температуры кипения , что означает, что реактор может эксплуатироваться без риска закипания теплоносителя при гораздо более высоких температурах. Это повышает термический КПД и потенциально может позволить производить водород посредством термохимических процессов.
Свинец и LBE также плохо реагируют с водой или воздухом, в отличие от натрия и NaK , которые самопроизвольно воспламеняются на воздухе и взрывоопасно реагируют с водой. Это означает, что реакторам со свинцовым или LBE-охлаждением, в отличие от конструкций с натриевым охлаждением, не потребуется промежуточный контур теплоносителя, что снижает капитальные вложения , необходимые для установки.
И свинец, и висмут также являются отличными радиационными щитами , поглощая гамма-излучение и в то же время практически прозрачны для нейтронов . Напротив, натрий образует мощный гамма-излучатель натрия-24 ( период полураспада 15 часов) после интенсивного нейтронного излучения , что требует большой радиационной защиты для первичного контура охлаждения.
Как тяжелые ядра, свинец и висмут могут использоваться в качестве мишеней расщепления для производства нейтронов неделения, например, при трансмутации отходов в ускорителе (см. Усилитель энергии ).
Теплоносители как на основе свинца, так и на основе натрия имеют преимущество относительно высоких температур кипения по сравнению с водой, а это означает, что нет необходимости создавать давление в реакторе даже при высоких температурах. Это повышает безопасность, поскольку снижает вероятность аварии с потерей теплоносителя (LOCA) и позволяет создавать пассивно-безопасные конструкции. Термодинамический цикл ( цикл Карно ) также более эффективен при большей разнице температур. Однако недостатком более высоких температур является также более высокая скорость коррозии металлических конструктивных элементов в ЖБЭ из-за их повышенной растворимости в жидком ЖБЭ с повышением температуры (образование амальгамы ) и охрупчивания жидкого металла .
Ограничения
[ редактировать ]Свинец и теплоноситель LBE более агрессивны к стали , чем натрий, и это накладывает верхний предел скорости потока теплоносителя через реактор из соображений безопасности. Кроме того, более высокие температуры плавления свинца и LBE (327 °C и 123,5 °C соответственно) могут означать, что затвердевание теплоносителя может стать более серьезной проблемой, когда реактор работает при более низких температурах.
Наконец, при нейтронном излучении висмут-209 , основной изотоп висмута, присутствующий в теплоносителе LBE, подвергается захвату нейтронов и последующему бета-распаду , образуя полоний-210 , мощный альфа-излучатель . Присутствие радиоактивного полония в теплоносителе потребует особых мер предосторожности для контроля альфа-загрязнения во время перегрузки реактора и обращения с компонентами, контактирующими с LBE. [7]
См. также
[ редактировать ]- Подкритический реактор (система с ускорителем)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ АЯЭ. «Справочник по эвтектическому сплаву свинец-висмут и свойствам свинца, совместимости материалов, теплогидравлике и технологиям – издание 2015 года» . Агентство по ядерной энергии (АЯЭ) . Проверено 5 июня 2022 г.
- ^ Фасио, Кончетта; Соболев, В.П.; Аэртс, А.; Гаврилов С.; Ламбрину, К.; Шурманс, П.; Гесси, А.; Агостини, П.; Чампикетти, А.; Мартинелли, Л.; Госс, С.; Бальбо-Желерье, Ф.; Куруо, JL; Терлен, А.; Ли, Н.; Гласбреннер, Х.; Нойхаузен, Дж.; Хайниц, С.; Занини, Л.; Дай, Ю.; Йолкконен, М.; Курата, Ю.; Обара, Т.; Тиольер, Н.; Мартин-Муньос, Ф.Дж.; Хайнцель, А.; Вайзенбургер, А.; Мюллер, Г.; Шумахер, Г.; Цзяну, А.; Пачо, Дж.; Марокко, Л.; Штиглиц, Р.; Ветцель, Т.; Добнер, М.; Литфин К.; Фогт, Дж.Б.; Прориоль-Серр, И.; Горс, Д.; Экерт, С.; Стивен, Ф.; Бухенау, Д.; Вондрак, Т.; Хван, И.С. (2015). Справочник по эвтектическому сплаву свинец-висмут и свойствам свинца, совместимости материалов, теплогидравлике и технологиям - издание 2015 г. (PDF) . Агентство по ядерной энергии ОЭСР (АЯЭ). п. 950.
- ^ http://www.nea.fr/html/science/reports/2007/pdf/chapter2.pdf Справочник по эвтектическим сплавам свинец-висмут и свойствам свинца.
- ^ Бугреев, М.И. (2002). «Оценка отработанного топлива атомных подводных лодок класса Альфа». Дело МРС . 713 . дои : 10.1557/PROC-713-JJ11.61 .
- ^ Зродников А.В.; Григорьев О.Г.; Читайкин, В.И.; Дедул, А.В.; Громов, Б.Ф.; Тошинский Г.И.; Драгунов, Ю. Г. (май 2003 г.). «Многоцелевой малый быстрый реактор СВБР-75/100 с свинцово-висмутовым охлаждением». Энергетические реакторы и подкритические системы бланкетов со свинцом и свинцом-висмутом в качестве теплоносителя и/или мишенного материала (PDF) . МАГАТЭ TECDOC. Том. 1348. Вена, Австрия: Международное агентство по атомной энергии. стр. 117–132. ISBN 92-0-101503-8 . Проверено 4 декабря 2009 г.
- ^ «Модуль Gen4, Безопасность и защита» . Проверено 25 июня 2012 г.
- ^ Усанов В.И.; Панкратов Д.В.; Попов, Э. П.; Маркелов, П.И.; Рябая, Л.Д.; Забродская, С.В. (1999). «Долгоживущие радионуклиды натрия, свинца-висмута и свинцовых теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах» . Атомная энергия . 87 (3): 658–662. дои : 10.1007/BF02673579 . S2CID 94738113 .