Реактор с течнометален охладител

Реактор с течно метално охлаждане(LMC) е ядрен реактор, който използва разтопен метал като охлаждаща течност.

Съдържание

Първите проекти на реактори с течен метален охладител се появяват през 50-те години на миналия век, работи се в СССР и САЩ.

В СССР разработката е извършена в Института по физика и енергетика, академик на Академията на науките на Украинската ССР А. И. Лейпунски става научен ръководител на проекта.Една от първите възможности за практическо приложение на реактора е използването на инсталацията на експериментална подводница К-27.

Първият сериен LMT реактор в света беше реакторът BM-40A (OK-550) за подводницата Lira project 705(K). Впоследствие на базата на този реактор е създадена серия от реактори SVBR.

За подводници и подводни дронове реакторът LMT е привлекателен поради своята компактност и ниско тегло, бързото увеличаване на мощността, необходимо за маневриране в бойни условия, както и повишената потенциална безопасност на реактора, включително способността на реактора спонтанно да намалява мощността в аварийни ситуации. [1]

При турбулентно протичане на течности в тръбите преносът на топлина се осъществява както поради турбулентно смесване на потока, така и чрез молекулярна топлопроводимост на охлаждащата течност. Охлаждащите течности от течен метал имат по-добра молекулярна топлопроводимост в сравнение с други охлаждащи течности. Това определя по-голям дял от предадената топлина поради топлопроводимост и осигурява най-добрите свойства на топлопреминаване на течните метали, което основно определя широкото им използване като топлоносители.

Течните метали са единствените охлаждащи течности, които отговарят на всички изисквания по отношение на топлоотвеждане и ядрени свойства за енергийни реактори примеждинни и бързи неутрони, както и към реактори размножители.

Някои ядрени и топлофизични свойства на течните метали, които са намерили приложение в реакторната техника, са изброени в таблицата.

Свойства Метали

Би	Pb	Ли	hg	ДА СЕ	Na	Na-K
Точка на топене, °C	271	327.4	186	−39	64	98	19
Точка на кипене, °C	1477	1717 г	1317	357	760	883	825
Специфичен топлинен капацитет, kcal/kg °C	0,038	0,037	1.05	0,033	0,182	0,30	0,26
Плътност при точка на топене, g/cm³	10.0	10.7	0,61	13.7	0,82	0,93	0,89
Топлопроводимост, kcal/m h °C	0,037	0,036	0,1	0,039	0,20	0,17	0,068
Разтворимост в уран при 500 °C, тегл. %	0,9	0,02	0,01	25	—	Много малък	—
Корозионни свойства	—	—	добре	Задоволително	—	добре	—
Напречно сечение за улавяне на термични неутрони, плевня	0,032	0,17	67	360	1,97	0,49	0,96

Използването на течни метални охладители в ядрени инсталации има редица предимства:

1. Течните метали имат ниско налягане на парите. Налягането в системата се определя само от загубата на налягане във веригата, която обикновено е по-малка от 7 atm. Ниско наляганезначително опростява конструкцията и работата както на реактора, така и на спомагателното оборудване на станцията.
2. Високата точка на кипене на течните метали осигурява голяма гъвкавост при работа. Например, ако температурата на охлаждащата течност на изхода на реактора се увеличи значително, тогава топенето на горивните елементи поради влошаване на топлообмена поради образуването на парен филм, както се случва при охлаждане с вода, няма да настъпи. Допустимите топлинни потоци са практически неограничени от критичните топлинни натоварвания. Реакторът с натриева верига има топлинни потоци до 2,3⋅10 6 kcal/m²·h и специфично обемно напрежение 1000 kW/l.
3. Високата електрическа проводимост на течните алкални метали позволява пълно използване на херметизирани електрически помпи (DC и AC). По отношение на консумацията на енергия за изпомпване течните метали са само малко по-ниски от водата. От течните метали алкалните метали имат най-добри характеристики по отношение на консумацията на енергия за изпомпване. Ако, например, консумацията на енергия за изпомпване на течен натрий се приеме за единица, тогава за живак ще бъде 2,8, а за бисмут 4,8.
4. За разлика от други течни метали, Na и Na-K имат слаб корозивен и ерозивен ефект върху структурните материали. За натриева и Na-K евтектика могат да се използват много от обичайните материали.
5. Най-евтиният от течните метали е натрият, следван от оловото и калия. Тъй като обемът на топлопреносната система обикновено е сравнително малък и презареждането е рядко, цената на топлопреносната среда е незначителна.
6. Течните метали са едноатомни вещества, така че проблемът с радиационните смущения в охлаждащите течности не възниква. Въпреки че някои от атомите на течния метал се превръщат в друг метал (например 24 Naсе трансформира в 24 Mg), но броят на такива трансформации при съществуващите неутронни потоци в реакторите е незначителен.

1. Алкалните метали са силно реактивни. Най-голямата опасност е реакцията с вода. Следователно в системи с цикли пара-вода трябва да се осигурят устройства за осигуряване на безопасност при експлозия. За да се избегне окисляването на метала, трябва да се изключи неговият контакт с въздуха, тъй като Na оксидът е неразтворим в течен Na и Na-K, а включването на оксиди може да доведе до запушване на отделни канали. Наличието на натриеви оксиди в течния Na и Na-K също влошава корозивните свойства на охлаждащите течности. Натрият и Na-K трябва да се съхраняват в среда от инертен газ (He, Ar).
2. Активирането на охлаждащата течност води до необходимостта от организиране на биологична защита за външната част на веригата на системата за пренос на топлина. Решението на този проблем става по-сложно за високоенергийно γ-лъчение и за спирачно лъчение. Изотопите Na и K имат кратки периоди на разпадане, но когато металът е замърсен с активни примеси с дълъг период на разпадане, задачата за защита срещу активност става по-сложна и е необходимо да се създаде дизайн, който да позволи отстраняването на целия течен метал от системата по време на нейния ремонт. Отбелязаните обстоятелства налагат налагането на повишени изисквания към химическата чистота на течните метали.
3. Допълнителни устройства, чието използване е необходимо във връзка с използването на течни метални охладители, значително усложняват технологичната схема на атомната електроцентрала. Тези допълнителни устройства са:

1. Инсталация за топене и прехвърляне на течен метал във веригата (за Na-K евтектика не се изисква резервоар за топене);
2. Устройство за отстраняване на оксиди. През негоустройство, свързано паралелно на главната верига, установява малък дебит на течен метал; по този начин се извършва непрекъснато почистване на охлаждащата течност от оксиди;
3. Уловители за изпарения от течен метал, отнесени от газовия поток от системата по време на нейното изпразване и пълнене. Газови потоци с пари от течен метал са възможни и от други устройства (буферни резервоари и др.).

Недостатъците на използването на течен натрий също трябва да включват способността му да прониква в порите на графита. Наличието на голямо количество баластен натрий в порите би довело до големи загуби на неутрони поради относително голямото напречно сечение на улавяне на неутрони на натрия. За да се предотврати контакт между натрий и графит, последният обикновено е защитен с метално фолио (например цирконий), което слабо абсорбира неутроните.

---