Reactor cu lichid de răcire din metal

Un reactor răcit cu metal lichid (LMC) este un reactor nuclear care utilizează metal topit ca agent de răcire .

Informații generale

Primele proiecte de reactoare cu lichid de răcire din metal au apărut în anii 1950, lucrările au fost efectuate în URSS și SUA .

În URSS, dezvoltarea a fost efectuată la Institutul de Fizică și Inginerie Energetică , academician al Academiei de Științe a SSR Ucrainei A. I. Leipunsky a devenit directorul științific al proiectului . Una dintre primele opțiuni pentru aplicarea practică a reactorului a fost utilizarea instalației pe un submarin experimental K-27 .

Primele reactoare LMT în serie din lume au fost reactoarele BM-40A și OK-550 pentru submarinul 705(K) al proiectului Lira . Ulterior, pe baza acestor reactoare au fost create o serie de reactoare SVBR .

Pentru submarine și drone subacvatice, reactorul LMT este atractiv datorită compactității și greutății sale reduse, creșterii rapide a puterii necesare manevrelor în condiții de luptă, precum și siguranței potențiale crescute a reactorului, inclusiv capacitatea reactorului de a spontan. reduce puterea în situații de urgență [1] .

În cazul fluxului turbulent de lichide în conducte, transferul de căldură se realizează atât datorită amestecării turbulente a fluxului, cât și prin conducerea moleculară a căldurii a lichidului de răcire. Lichizi de răcire din metale au o conductivitate termică moleculară mai bună în comparație cu alți lichide de răcire. Acest lucru determină o pondere mai mare a căldurii transferate datorită conductivității termice și oferă cele mai bune proprietăți de transfer de căldură ale metalelor lichide, ceea ce determină în principal utilizarea lor pe scară largă ca purtători de căldură.

Metalele lichide sunt singurii agenți de răcire care îndeplinesc toate cerințele în ceea ce privește îndepărtarea căldurii și proprietățile nucleare pentru reactoarele intermediare și rapide de putere cu neutroni , precum și pentru reactoarele generatoare .

Unele proprietăți nucleare și termofizice ale metalelor lichide care și-au găsit aplicații în ingineria reactoarelor sunt enumerate în tabel.

Avantaje

Utilizarea lichidelor de răcire metalice în instalațiile nucleare are o serie de avantaje:

1. Metalele lichide au presiune de vapori scăzută. Presiunea din sistem este determinată doar de pierderea de presiune din circuit, care este de obicei mai mică de 7 atm. Presiunea scăzută simplifică semnificativ proiectarea și funcționarea atât a reactorului, cât și a echipamentelor auxiliare ale stației.
2. Punctul de fierbere ridicat al metalelor lichide oferă o mare flexibilitate în funcționare. De exemplu, dacă temperatura lichidului de răcire la ieșirea din reactor crește semnificativ, atunci topirea elementelor de combustibil din cauza deteriorării transferului de căldură din cauza formării unei pelicule de vapori, așa cum se întâmplă la răcirea cu apă, nu va apar. Fluxurile de căldură permise sunt practic nelimitate de încărcăturile critice de căldură. Reactorul cu circuit de sodiu are fluxuri de căldură de până la 2,3⋅10 6 kcal/m²·h și o tensiune volumetrică specifică de 1000 kW/l.
3. Conductivitatea electrică ridicată a metalelor alcaline lichide permite utilizarea completă a pompelor electromagnetice sigilate (DC și AC). În ceea ce privește consumul de energie pentru pompare, metalele lichide sunt doar puțin inferioare apei. Dintre metalele lichide, metalele alcaline au cele mai bune caracteristici din punct de vedere al consumului de energie pentru pompare. Dacă, de exemplu, consumul de energie pentru pomparea sodiului lichid este luat ca unitate, atunci pentru mercur va fi de 2,8, iar pentru bismut - 4,8.
4. Spre deosebire de alte metale lichide, Na și Na-K au un efect scăzut de coroziune și eroziune asupra materialelor structurale. Pentru eutectic de sodiu și Na-K , multe dintre materialele comune pot fi utilizate.
5. Cel mai ieftin dintre metalele lichide este sodiul, urmat de plumb și potasiu. Deoarece volumul sistemului de transfer de căldură este de obicei relativ mic, iar reîncărcarea este rară, costul mediului de transfer de căldură este neglijabil.
6. Metalele lichide sunt substanțe monoatomice, deci nu se pune problema perturbărilor radiațiilor în lichidele de răcire. Deși unii dintre atomii de metal lichid se transformă într-un alt metal (de exemplu, 24 Na se transformă în 24 Mg ), dar numărul de astfel de transformări cu fluxurile de neutroni existente în reactoare este neglijabil.

Dezavantaje

1. Metalele alcaline sunt foarte reactive. Cel mai mare pericol este reacția cu apa. Prin urmare, în sistemele cu cicluri abur-apă trebuie prevăzute dispozitive care să asigure siguranța la explozie. Pentru a evita oxidarea metalului, contactul acestuia cu aerul trebuie exclus, deoarece oxidul de Na este insolubil în Na lichid și Na-K, iar includerea oxizilor poate duce la blocarea canalelor individuale. Prezența oxizilor de sodiu în Na lichid și Na-K afectează, de asemenea, proprietățile corozive ale lichidelor de răcire. Sodiul și Na-K trebuie depozitate într-un mediu gazos inert ( He , Ar ).
2. Activarea lichidului de răcire duce la necesitatea de a aranja protecție biologică pentru partea exterioară a circuitului sistemului de transfer de căldură. Soluția la această problemă devine mai complicată pentru radiațiile γ de înaltă energie și pentru bremsstrahlung .
   Izotopii Na și K au perioade scurte de degradare, dar atunci când metalul este contaminat cu impurități active cu o perioadă lungă de degradare, sarcina de a proteja împotriva activității devine mai complicată și este necesar să se creeze un design care să permită îndepărtarea întregului metal lichid din sistemul în timpul reparației acestuia. Circumstanțele remarcate fac necesară impunerea unor cerințe sporite privind puritatea chimică a metalelor lichide.
3. Dispozitivele suplimentare, a căror utilizare este necesară în legătură cu utilizarea lichidelor de răcire din metal, complică semnificativ schema tehnologică a unei centrale nucleare. Aceste dispozitive suplimentare sunt:
   1. Instalare pentru topirea și transferul metalului lichid în circuit (pentru eutectic Na-K, nu este necesar un rezervor de topire);
   2. Dispozitiv pentru îndepărtarea oxizilor. Prin acest dispozitiv, conectat în paralel cu circuitul principal, se stabilește un debit mic de metal lichid; astfel, se realizează curățarea continuă a lichidului de răcire de oxizi;
   3. Capcane pentru vapori de metal lichid transportați de fluxul de gaz din sistem în timpul golirii și umplerii acestuia. Fluxurile de gaz cu vapori de metal lichid sunt posibile și din alte dispozitive (rezervoare tampon etc.).

Dezavantajele utilizării sodiului lichid ar trebui să includă și capacitatea acestuia de a pătrunde în porii grafitului . Prezența unei cantități mari de balast de sodiu în pori ar duce la pierderi mari de neutroni datorită secțiunii transversale relativ mari de captare a neutronilor a sodiului. Pentru a preveni contactul dintre sodiu și grafit, acesta din urmă este de obicei protejat de o folie dintr-un metal (cum ar fi zirconiul ) care absoarbe slab neutronii.

Vezi și

• Reactoare nucleare pe vehicule spațiale
• submarin nuclear
• Reactor rapid cu neutroni
• K-27
• BN-600 și BN-800

Note

1. ↑ Mazurenko Viaceslav Nikolaevici. CAPITOLUL 2. Submarinul de testare nucleară K-27 (proiect 645) // K-27 „Metal lichid” . - Biblioteca lui Maxim Moshkov .

Literatură

• Petunin V.P. Ingineria termoenergetica a instalatiilor nucleare. Moscova: Atomizdat , 1960.
• Levin VE Fizică nucleară și reactoare nucleare. a 4-a ed. — M.: Atomizdat , 1979.