Reactor nuclear cu metal lichid
Această intrare sau secțiune despre subiectul fizicii nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Un reactor nuclear răcit cu metal lichid, reactor rapid cu metal lichid sau LMFR ( Liquid Metal Cooled Reactor ) este un tip avansat de reactor nuclear în care lichidul de răcire primar este un metal lichid. Acestea au fost utilizate în principal în submarine nucleare, dar au fost, de asemenea, studiate pe larg pentru aplicații de generare a energiei electrice.
Deoarece lichidele de răcire metalice au o densitate mult mai mare decât apa, care este utilizată în majoritatea proiectelor de reactoare, elimină căldura mai rapid și permit densități de putere mult mai mari. Acest lucru le face utile în situații în care dimensiunea și greutatea sunt critice, cum ar fi navele și submarinele. Pentru a îmbunătăți răcirea cu apă, majoritatea reactoarelor folosesc presurizarea pentru a crește punctul de fierbere, care prezintă probleme de siguranță și întreținere care nu sunt prezente în LMFR. Mai mult, temperatura ridicată a metalului lichid poate fi utilizată pentru a produce abur la o temperatură mai mare decât într-un reactor răcit cu apă, ceea ce duce la o eficiență termodinamică mai mare. Acest lucru le face bune pentru îmbunătățirea energiei în centralele nucleare convenționale.
Metalele lichide, fiind extrem de conductoare electric, pot fi deplasate de pompele electromagnetice. Dezavantajele includ dificultățile asociate cu inspectarea și repararea unui reactor cufundat în metal topit lichid opac, în funcție de alegerea metalului, pericolul de incendiu cauzat de alcalinitatea metalelor și coroziunea și / sau producția de produse de dezintegrare radioactivă pot fi o problemă .
Proiecta
În practică, toate reactoarele răcite cu metal lichid sunt reactoare cu neutroni rapide și, până în prezent, cele mai frecvente reactoare cu neutroni rapide sunt crescătorii rapide cu răcire cu metal lichid (LMFBR) sau unitățile de propulsie pentru nave. Metalele lichide utilizate de obicei au nevoie de bune caracteristici de transfer de căldură. Miezul unui reactor cu neutroni rapid tinde să genereze multă căldură într-un spațiu mic comparativ cu reactoarele din alte clase, chiar mai mari. Absorbția scăzută a neutronilor este de dorit în orice agent de răcire a reactorului, dar mai ales este importantă pentru un reactor rapid, economisirea neutronilor unui reactor rapid este unul dintre principalele sale avantaje. Deoarece neutronii lenti sunt mai ușor absorbiți, lichidul de răcire ar trebui să aibă în mod ideal o moderare scăzută a neutronilor. De asemenea, este important ca lichidul de răcire să nu provoace coroziune excesivă a materialelor structurale și că punctele de topire și fierbere ale acestuia sunt adecvate pentru temperatura de funcționare a reactorului.
În mod ideal, agentul frigorific nu ar trebui să fiarbă niciodată, ceea ce ar face mai probabil să scape din sistem, rezultând un accident de scurgere a agentului frigorific. Dimpotrivă, dacă lichidul de răcire poate să nu fiarbă, acest lucru permite presiunii din sistemul de răcire să rămână la niveluri neutre, iar acest lucru reduce drastic probabilitatea unui accident. Unele modele implică scufundarea întregului reactor și a schimbătoarelor de căldură într-un bazin de lichid de răcire, eliminând practic riscul de defecțiune a răcirii inelului interior.
Proprietățile agenților frigorifici
În timp ce apa sub presiune ar putea fi utilizată teoretic într-un reactor rapid, aceasta tinde să încetinească neutronii și să le absoarbă, acest lucru limitează cantitatea de apă care poate fi curgată prin miezul reactorului și, deoarece reactoarele rapide au o densitate de putere mai mare, este mare a preferat să folosească metale lichide. Punctul de fierbere al apei este mult mai scăzut decât majoritatea metalelor existente, iar sistemul de răcire poate fi menținut sub presiune ridicată pentru a răci nucleul mai eficient.
Mercur
„Clementina” a fost primul reactor nuclear care a fost refrigerat cu mercur, considerat a fi alegerea evidentă, deoarece este lichid la temperatura camerei. Cu toate acestea, din cauza dezavantajelor, incluzând toxicitate ridicată, presiune ridicată a vaporilor deja la temperatura camerei, punct de fierbere scăzut, producând vapori nocivi la încălzire, conductivitate termică relativ scăzută și captare ridicată a neutronilor, a căzut în uz.
Sodiu și NaK
Sodiul și NaK (un aliaj eutectic de sodiu-potasiu) nu corodează semnificativ oțelul și sunt compatibile cu mulți combustibili nucleari, permițând o gamă largă de materiale structurale. Cu toate acestea, ele se aprind spontan la contactul cu aerul și reacționează violent cu apa, producând hidrogen gazos. Așa a fost cazul centralei nucleare de la Monju , într-un accident din 1995, când a izbucnit un incendiu. Activarea sa cu neutroni face ca aceste lichide să devină intens radioactive în timpul funcționării, deși timpul lor de înjumătățire este scurt și, prin urmare, radioactivitatea lor nu reprezintă o preocupare suplimentară pentru eliminare.
Conduce
Plumbul are proprietăți excelente de captare a neutronilor (reflectare, absorbție redusă) și este un scut foarte puternic împotriva razelor gamma. Punctul de fierbere mai ridicat al plumbului oferă multe avantaje de siguranță, deoarece poate răcii reactorul eficient chiar dacă atinge câteva sute de grade Celsius peste condițiile normale de funcționare. Cu toate acestea, deoarece plumbul are un punct de topire ridicat și o presiune de vapori ridicată, este dificil să realimentezi un reactor răcit cu plumb. Punctul de topire poate fi redus cu aliajul de plumb-bismut, dar acest lucru este foarte coroziv pentru majoritatea metalelor utilizate pentru materialele structurale.
Iazul
Deși staniul până în prezent nu este folosit ca agent de răcire a reactorului, deoarece creează o crustă, poate fi un agent de răcire suplimentar sau o izolare a dezastrelor nucleare sau a accidentelor de scurgere a lichidului de răcire. Mercurul și plumbul - utilizate în dezastrul de la Cernobîl [6] - sunt extrem de otrăvitoare, iar sodiul este foarte inflamabil, în timp ce apa se evaporă sau fuge, transportând substanțe radioactive cu el provocând contaminare [și accidente grave
Avantajele suplimentare ale staniului sunt punctul său ridicat de fierbere și capacitatea de a construi o crustă, care ajută la acoperirea scurgerilor otrăvitoare și păstrează lichidul de răcire în interiorul reactorului. Staniu face reactorul inutilizabil în operațiuni normale. A fost testat de cercetătorii ucraineni și a propus transformarea reactoarelor cu apă clocotită ale dezastrului nuclear Fukushima Daiichi în reactoare lichide răcite în iaz.
Utilizări pentru propulsia nautică
Submarine
Submarinul sovietic K-27 ( Clasa noiembrie ) și toate cele șapte reactoare din clasa Alpha foloseau reactoare metalice lichide (reactoare VT-1 în K-27; reactoare BM-40A și OK-550 în altele). Atât armata sovietică, cât și cea americană construiseră anterior prototipuri de submarine de atac folosind propulsoare LMFR.
Al doilea submarin nuclear, USS Seawolf (SSN-575) era singurul submarin care avea o centrală nucleară răcită cu sodiu. A fost comandat în 1957, dar a avut scurgeri în supraîncălzitoare, care au fost ocolite. Pentru a standardiza reactoarele flotei, reactorul răcit cu sodiu al submarinului a fost îndepărtat începând cu 1958 și înlocuit cu un reactor cu apă sub presiune.
Avioane nucleare
Reactoarele răcite cu metal lichid au fost studiate de Pratt & Whitney pentru avioane nucleare ca parte a programului de propulsie nucleară a aeronavelor .
Utilizare în centrale nucleare
Experimentul cu reactor de sodiu a fost un reactor nuclear răcit cu sodiu experimental, situat într-o secțiune a câmpului Santa Susana, operat apoi de divizia Atomics International din North American Aviation. În iulie 1959, reactorul experimental de sodiu a suferit un accident major care a implicat topirea parțială a 13 din 43 de elemente combustibile și o eliberare semnificativă de gaz radioactiv. Reactorul a fost reparat și repus în funcțiune în septembrie 1960 și a încetat să funcționeze în 1964. Reactorul a produs un total de 37 GW-h de energie electrică.
Fermi 1, din județul Monroe , Michigan, a fost un reactor experimental de răcire rapidă cu sodiu care a funcționat din 1963 până în 1972. A suferit o fuziune nucleară parțială în 1963 și a fost dezafectat în 1975.
În Dounreay (județul Caithness ), în nordul îndepărtat al Scoției, Autoritatea pentru Energie Atomică din Regatul Unit (UKAEA) a activat reactorul rapid Dounreay (DFR), utilizând NaK ca agent de răcire, din 1959 până în 1977, exportând peste 600 GW- h de energie electrică în acea perioadă. A fost construit pe același loc de PFR, Rapid Prototype Reactor, care a funcționat din 1974 până în 1994 și a folosit sodiu lichid ca agent frigorific.
Reactorul sovietic BN-600 este răcit cu sodiu. Centralele nucleare BN-350 și EBR-II din SUA au fost răcite cu sodiu. EBR-I a folosit un aliaj metalic lichid, NaK, pentru răcire. NaK este lichid la temperatura camerei. răcirea metalelor lichide este, de asemenea, utilizată în majoritatea reactoarelor cu neutroni rapide, inclusiv a reactoarelor de creștere rapidă, cum ar fi Reactorul rapid Integrale.
O combinație dintre reactorul metalic lichid răcit și reactorul cu sare topită are ca rezultat proiectarea reactorului cu dublu fluid
Unele studii de reactoare de a patra generație sunt răcite cu metal lichid, cum ar fi:
