Reaktori nestemäisellä metallijäähdytteellä

Nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori (LMC) on ydinreaktori , joka käyttää sulaa metallia jäähdytysaineena .

Yleistä tietoa

Ensimmäiset nestemäisellä metallijäähdytteellä varustettujen reaktorien projektit ilmestyivät 1950-luvulla, töitä tehtiin Neuvostoliitossa ja Yhdysvalloissa .

Neuvostoliitossa kehitystyö suoritettiin Fysiikan ja voimatekniikan instituutissa, Ukrainan SSR:n tiedeakatemian akateemikko A. I. Leipunskysta tuli projektin tieteellinen johtaja . Yksi ensimmäisistä vaihtoehdoista reaktorin käytännön soveltamiseen oli asennuksen käyttö kokeellisessa sukellusveneessä K-27 .

Ensimmäiset sarjamuotoiset LMT-reaktorit maailmassa olivat BM-40A- ja OK-550- reaktorit Lira-projektin 705(K) sukellusveneeseen . Myöhemmin näiden reaktorien pohjalta luotiin sarja SVBR -reaktoreita .

Sukellusveneille ja vedenalaisille droneille LMT-reaktori on houkutteleva kompaktinsa ja pienen painonsa, taisteluolosuhteissa ohjaamiseen tarvittavan tehon nopean kasvun sekä reaktorin lisääntyneen mahdollisen turvallisuuden vuoksi, mukaan lukien reaktorin kyky toimia spontaanisti. vähentää tehoa hätätilanteissa [1] .

Nesteiden turbulenttisella virtauksella putkissa lämmönsiirto tapahtuu sekä virtauksen turbulenttisesta sekoituksesta että jäähdytysnesteen molekyylilämmön johtumisen kautta. Nestemäisillä metallijäähdytysnesteillä on parempi molekyylilämmönjohtavuus verrattuna muihin jäähdytysnesteisiin. Tämä määrää suuremman osuuden lämmönjohtavuudesta johtuen siirtyvästä lämmöstä ja tarjoaa nestemäisten metallien parhaat lämmönsiirtoominaisuudet, mikä ratkaisee pääasiassa niiden laajan käytön lämmönsiirtoaineena.

Nestemäiset metallit ovat ainoat jäähdytysaineet, jotka täyttävät kaikki lämmönpoiston ja ydinominaisuuksien vaatimukset keski- ja nopeiden neutronien voimareaktoreissa sekä jalostusreaktoreissa .

Taulukossa on lueteltu joitakin nestemäisten metallien ydin- ja lämpöfysikaalisia ominaisuuksia, jotka ovat löytäneet käyttöä reaktoritekniikassa.

Edut

Nestemäisten metallijäähdytysnesteiden käytöllä ydinlaitoksissa on useita etuja:

1. Nestemäisten metallien höyrynpaine on alhainen. Järjestelmän paine määräytyy vain piirin painehäviön perusteella, joka on yleensä alle 7 atm. Matala paine yksinkertaistaa merkittävästi sekä reaktorin että aseman apulaitteiden suunnittelua ja toimintaa.
2. Nestemäisten metallien korkea kiehumispiste tarjoaa suuren joustavuuden käytössä. Esimerkiksi, jos jäähdytysnesteen lämpötila reaktorin ulostulossa kohoaa merkittävästi, polttoaine-elementtien sulaminen, joka johtuu lämmönsiirron heikkenemisestä höyrykalvon muodostumisen vuoksi, kuten tapahtuu jäähdytettäessä vedellä, ei tapahdu. esiintyä. Kriittisten lämpökuormien sallitut lämpövirrat ovat käytännössä rajattomia. Natriumpiirillä varustetun reaktorin lämpövirrat ovat jopa 2,3⋅10 6 kcal/m²·h ja ominaistilavuusjännitys 1000 kW/l.
3. Nestemäisten alkalimetallien korkea sähkönjohtavuus mahdollistaa suljettujen sähkömagneettisten pumppujen (DC ja AC) täyden käytön . Pumppauksen energiankulutuksen osalta nestemäiset metallit ovat vain hieman huonompia kuin vesi. Nestemäisistä metalleista alkalimetallit ovat pumppauksen energiankulutuksen kannalta parhaat ominaisuudet. Jos esimerkiksi nestemäisen natriumin pumppaamisen energiankulutus otetaan yksikkönä, niin elohopealla se on 2,8 ja vismutilla - 4,8.
4. Toisin kuin muut nestemäiset metallit, Na:lla ja Na-K:lla on alhainen syövyttävä ja eroosiivinen vaikutus rakennemateriaaleihin. Natrium- ja Na-K eutektiikkaa varten voidaan käyttää monia yleisiä materiaaleja.
5. Halvin nestemäisistä metalleista on natrium, jota seuraa lyijy ja kalium. Koska lämmönsiirtojärjestelmän tilavuus on yleensä suhteellisen pieni ja lataus on harvinaista, lämmönsiirtoaineen hinta on mitätön.
6. Nestemäiset metallit ovat yksiatomisia aineita, joten jäähdytysnesteiden säteilyhäiriöiden ongelmaa ei esiinny. Vaikka osa nestemäisistä metalliatomeista muuttuu toiseksi metalliksi (esimerkiksi 24 Na muuttuu 24 Mg :ksi ), tällaisten muutosten määrä reaktoreissa olevilla neutronivuoilla on mitätön.

Haitat

1. Alkalimetallit ovat erittäin reaktiivisia. Suurin vaara on reaktio veden kanssa. Siksi järjestelmissä, joissa on höyry-vesikiertoja, on varustettava laitteet räjähdysturvallisuuden varmistamiseksi. Metallin hapettumisen välttämiseksi sen kosketus ilman kanssa on suljettava pois, koska Na-oksidi on liukenematon nestemäiseen Na- ja Na-K-aineeseen, ja oksidien sisällyttäminen voi johtaa yksittäisten kanavien tukkeutumiseen. Natriumoksidien läsnäolo nestemäisessä Na:ssa ja Na-K:ssa heikentää myös jäähdytysnesteiden syövyttäviä ominaisuuksia. Natrium ja Na-K on säilytettävä inertissä kaasuympäristössä ( He , Ar ).
2. Jäähdytysnesteen aktivointi johtaa tarpeeseen järjestää biologinen suojaus lämmönsiirtojärjestelmän piirin ulkopuolelle. Tämän ongelman ratkaisusta tulee monimutkaisempi korkeaenergiselle γ-säteilylle ja bremsstrahlungille .
   Na- ja K-isotoopeilla on lyhyet hajoamisajat, mutta kun metalli on saastunut aktiivisilla epäpuhtauksilla, joilla on pitkä hajoamisjakso, aktiivisuudelta suojautuminen monimutkaistuu ja on tarpeen luoda malli, joka mahdollistaa kaiken nestemäisen metallin poistamisen järjestelmää korjauksen aikana. Ilmoitetut olosuhteet edellyttävät korkeampia vaatimuksia nestemäisten metallien kemialliselle puhtaudelle.
3. Lisälaitteet, joiden käyttö on välttämätöntä nestemäisten metallijäähdytysnesteiden käytön yhteydessä, vaikeuttavat merkittävästi ydinvoimalaitoksen teknistä järjestelmää. Nämä lisälaitteet ovat:
   1. Asennus nestemäisen metallin sulatukseen ja siirtämiseen piiriin (Na-K eutektiikkaa varten sulatussäiliötä ei vaadita);
   2. Laite oksidien poistoon. Tämän laitteen kautta, joka on kytketty rinnan pääpiiriin, muodostetaan pieni nestemäisen metallin virtausnopeus; näin ollen jäähdytysnesteen jatkuva puhdistus oksideista suoritetaan;
   3. Erot nestemäisille metallihöyryille, jotka kaasu virtaa pois järjestelmästä tyhjennyksen ja täytön aikana. Kaasuvirtaukset nestemäisen metallin höyryillä ovat mahdollisia myös muista laitteista (puskurisäiliöt jne.).

Nestemäisen natriumin käytön haittoihin tulisi kuulua myös sen kyky tunkeutua grafiitin huokosiin . Suuren määrän painolastinatriumin läsnäolo huokosissa johtaisi suuriin neutronihäviöihin natriumin suhteellisen suuren neutronien sieppauspoikkileikkauksen vuoksi . Natriumin ja grafiitin välisen kosketuksen estämiseksi jälkimmäinen on yleensä suojattu kalvolla, joka on valmistettu metallista (kuten zirkonium ), joka absorboi neutroneja heikosti.

Katso myös

• Avaruusajoneuvojen ydinreaktorit
• ydinsukellusvene
• Nopea neutronireaktori
• K-27
• BN-600 ja BN-800

Muistiinpanot

1. ↑ Mazurenko Vjatšeslav Nikolajevitš. LUKU 2. Ydinkoesukellusvene K-27 (projekti 645) // K-27 "Liquid Metal" . - Maxim Moshkovin kirjasto .

Kirjallisuus

• Petunin V.P. Ydinlaitosten lämpövoimatekniikka. Moskova: Atomizdat , 1960.
• Levin VE Ydinfysiikka ja ydinreaktorit. 4. painos - M.: Atomizdat , 1979.