Reaktor s chladicí kapalinou z tekutého kovu
Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od
verze recenzované 8. července 2021; kontroly vyžadují
5 úprav .
Reaktor chlazený tekutým kovem (LMC) je jaderný reaktor , který používá jako chladivo roztavený kov .
Obecné informace
První projekty reaktorů s chladivem tekutého kovu se objevily v 50. letech 20. století, práce probíhaly v SSSR a USA .
V SSSR byl vývoj prováděn na Ústavu fyziky a energetiky , vědeckým ředitelem projektu se stal akademik Akademie věd Ukrajinské SSR A. I. Leipunsky . Jednou z prvních možností praktického uplatnění reaktoru bylo využití instalace na experimentální ponorce K-27 .
První sériové reaktory LMT na světě byly reaktory BM-40A a OK-550 pro ponorku 705(K) projektu Lira . Následně byla na základě těchto reaktorů vytvořena řada reaktorů SVBR .
Pro ponorky a podvodní drony je reaktor LMT atraktivní svou kompaktností a nízkou hmotností, rychlým nárůstem výkonu potřebného pro manévrování v bojových podmínkách a také zvýšenou potenciální bezpečností reaktoru, včetně schopnosti reaktoru samovolně snížit výkon v nouzových situacích [1] .
Při turbulentním proudění kapalin v potrubí se přenos tepla uskutečňuje jak v důsledku turbulentního míchání proudění, tak prostřednictvím molekulárního vedení tepla chladiva. Chladiva z tekutých kovů mají lepší molekulární tepelnou vodivost ve srovnání s jinými chladicími kapalinami. To určuje větší podíl tepla přenášeného v důsledku tepelné vodivosti a poskytuje nejlepší vlastnosti přenosu tepla tekutých kovů, což určuje především jejich široké použití jako nosiče tepla.
Kapalné kovy jsou jediná chladiva , která splňují všechny požadavky z hlediska odvodu tepla a jaderných vlastností pro reaktory se středními a rychlými neutrony a také pro množivé reaktory .
Některé jaderné a termofyzikální vlastnosti tekutých kovů, které našly uplatnění v reaktorové technice, jsou uvedeny v tabulce.
Vlastnosti |
Kovy
|
Bi |
Pb |
Li |
hg |
Na |
Na |
Na-K
|
Teplota tání, °C |
271 |
327,4 |
186 |
−39 |
64 |
98 |
19
|
Bod varu, °C |
1477 |
1717 |
1317 |
357 |
760 |
883 |
825
|
Měrná tepelná kapacita, kcal/kg °C |
0,038 |
0,037 |
1.05 |
0,033 |
0,182 |
0,30 |
0,26
|
Hustota při bodu tání, g/cm³ |
10,0 |
10.7 |
0,61 |
13.7 |
0,82 |
0,93 |
0,89
|
Tepelná vodivost, kcal/m h °С |
0,037 |
0,036 |
0,1 |
0,039 |
0,20 |
0,17 |
0,068
|
Rozpustnost v uranu při 500 °C, hm. % |
0,9 |
0,02 |
0,01 |
25 |
— |
Velmi malé |
—
|
Korozní vlastnosti |
— |
— |
Dobří |
Uspokojivý |
— |
Dobří |
—
|
Průřez tepelného záchytu neutronů, stodola |
0,032 |
0,17 |
67 |
360 |
1,97 |
0,49 |
0,96
|
Výhody
Použití tekutých kovových chladicích kapalin v jaderných zařízeních má řadu výhod:
- Tekuté kovy mají nízký tlak par. Tlak v systému je určen pouze tlakovou ztrátou v okruhu, která je obvykle menší než 7 atm. Nízký tlak výrazně zjednodušuje konstrukci a provoz jak reaktoru, tak pomocného zařízení stanice.
- Vysoký bod varu tekutých kovů poskytuje velkou flexibilitu při provozu. Pokud se například výrazně zvýší teplota chladicí kapaliny na výstupu z reaktoru, nedojde k roztavení palivových článků v důsledku zhoršení přenosu tepla v důsledku tvorby parního filmu, jak se to děje při chlazení vodou. nastat. Přípustné tepelné toky jsou prakticky neomezené kritickým tepelným zatížením. Reaktor se sodíkovým okruhem má tepelné toky až 2,3⋅10 6 kcal/m²·h a specifické objemové napětí 1000 kW/l.
- Vysoká elektrická vodivost tekutých alkalických kovů umožňuje plné využití uzavřených elektromagnetických čerpadel (DC i AC). Z hlediska spotřeby energie na čerpání jsou tekuté kovy jen o málo horší než voda. Z tekutých kovů mají z hlediska spotřeby energie na čerpání nejlepší vlastnosti alkalické kovy. Pokud je například spotřeba energie pro čerpání kapalného sodíku brána jako jednotka, pak pro rtuť bude 2,8 a pro vizmut - 4,8.
- Na rozdíl od jiných tekutých kovů mají Na a Na-K nízký korozní a erozivní účinek na konstrukční materiály. Pro sodík a Na-K eutektikum lze použít mnoho běžných materiálů.
- Nejlevnější z tekutých kovů je sodík, následuje olovo a draslík. Vzhledem k tomu, že objem systému přenosu tepla je obvykle relativně malý a dobíjení je vzácné, náklady na médium pro přenos tepla jsou zanedbatelné.
- Kapalné kovy jsou monatomické látky, takže problém radiačních poruch v chladivech nevzniká. Některé z atomů tekutého kovu se sice promění v jiný kov (např. 24 Na se změní na 24 Mg ), ale počet takových přeměn s existujícími neutronovými toky v reaktorech je zanedbatelný.
Nevýhody
- Alkalické kovy jsou vysoce reaktivní. Největší nebezpečí představuje reakce s vodou. Proto musí být v systémech s cykly páry a vody zajištěna zařízení zajišťující bezpečnost výbuchu. Aby se zabránilo oxidaci kovu, musí být vyloučen jeho kontakt se vzduchem, protože oxid Na je nerozpustný v kapalném Na a Na-K a zahrnutí oxidů může vést k zablokování jednotlivých kanálů. Přítomnost oxidů sodných v kapalném Na a Na-K také zhoršuje korozivní vlastnosti chladicích kapalin. Sodík a Na-K musí být skladovány v prostředí inertního plynu ( He , Ar ).
- Aktivace chladiva vede k nutnosti zajistit biologickou ochranu pro vnější část okruhu teplosměnného systému. Řešení tohoto problému se stává složitějším pro vysokoenergetické γ-záření a pro brzdné záření .
Izotopy Na a K mají krátké doby rozpadu, ale když je kov kontaminován aktivními nečistotami s dlouhou dobou rozpadu, stává se úkol ochrany proti aktivitě složitější a je nutné vytvořit konstrukci, která by umožnila odstranit veškerý tekutý kov z systému při jeho opravě. Uvedené okolnosti vyžadují zvýšené požadavky na chemickou čistotu tekutých kovů.
- Doplňková zařízení, jejichž použití je nutné v souvislosti s použitím chladiv tekutých kovů, výrazně komplikují technologické schéma jaderné elektrárny. Tato přídavná zařízení jsou:
- Instalace pro tavení a převádění tekutého kovu do okruhu (pro Na-K eutektikum není potřeba tavicí nádrž);
- Zařízení pro odstraňování oxidů. Prostřednictvím tohoto zařízení, připojeného paralelně k hlavnímu okruhu, je ustaven malý průtok tekutého kovu; tak se provádí kontinuální čištění chladicí kapaliny od oxidů;
- Lapače par tekutých kovů unášené proudem plynu ze systému při jeho vyprazdňování a plnění. Proudění plynu s parami tekutého kovu je možné i z jiných zařízení (vyrovnávací nádrže apod.).
Mezi nevýhody použití tekutého sodíku by měla patřit také jeho schopnost pronikat do pórů grafitu . Přítomnost velkého množství balastního sodíku v pórech by vedla k velkým ztrátám neutronů v důsledku relativně velkého průřezu sodíku pro záchyt neutronů. Aby se zabránilo kontaktu mezi sodíkem a grafitem, je grafit obvykle chráněn fólií vyrobenou z kovu (jako je zirkonium ), která neutrony absorbuje slabě.
Viz také
Poznámky
- ↑ Mazurenko Vjačeslav Nikolajevič. KAPITOLA 2. Jaderná zkušební ponorka K-27 (projekt 645) // K-27 "Liquid Metal" . - Knihovna Maxima Moshkova .
Literatura
- Petunin V.P. Tepelná energetika jaderných zařízení. Moskva: Atomizdat , 1960.
- Levin VE Jaderná fyzika a jaderné reaktory. 4. vyd. — M.: Atomizdat , 1979.