Reactor con refrigerante de metal líquido
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Un reactor con refrigerante de metal líquido (LMC) es un reactor nuclear que utiliza metal fundido como refrigerante .
Información general
Los primeros proyectos de reactores con refrigerante de metal líquido aparecieron en la década de 1950, el trabajo se llevó a cabo en la URSS y los EE . UU .
En la URSS, el desarrollo se llevó a cabo en el Instituto de Física e Ingeniería Eléctrica , el académico de la Academia de Ciencias de la RSS de Ucrania A. I. Leipunsky se convirtió en el director científico del proyecto . Una de las primeras opciones para la aplicación práctica del reactor fue el uso de la instalación en un submarino experimental K-27 .
Los primeros reactores LMT en serie del mundo fueron los reactores BM-40A y OK-550 para el submarino Lira project 705(K) . Posteriormente, se creó una serie de reactores SVBR sobre la base de estos reactores .
Para submarinos y drones submarinos, el reactor LMT es atractivo debido a su tamaño compacto y bajo peso, el rápido aumento de la potencia necesaria para maniobrar en condiciones de combate, así como el aumento de la seguridad potencial del reactor, incluida la capacidad del reactor para reaccionar espontáneamente. reducir la potencia en situaciones de emergencia [1] .
Con el flujo turbulento de líquidos en las tuberías, la transferencia de calor se lleva a cabo tanto debido a la mezcla turbulenta del flujo como a través de la conducción de calor molecular del refrigerante. Los refrigerantes de metal líquido tienen una mejor conductividad térmica molecular en comparación con otros refrigerantes. Esto determina una mayor parte del calor transferido debido a la conductividad térmica y proporciona las mejores propiedades de transferencia de calor de los metales líquidos, lo que determina principalmente su uso generalizado como portadores de calor.
Los metales líquidos son los únicos refrigerantes que cumplen todos los requisitos en términos de eliminación de calor y propiedades nucleares para reactores de potencia de neutrones intermedios y rápidos , así como para reactores reproductores .
En la tabla se enumeran algunas propiedades nucleares y termofísicas de los metales líquidos que han encontrado aplicación en la ingeniería de reactores.
| Propiedades |
Rieles
|
| Bi |
Pb |
li |
hg |
A |
N / A |
na-k
|
| Punto de fusión, °C |
271 |
327.4 |
186 |
−39 |
64 |
98 |
19
|
| Punto de ebullición, °C |
1477 |
1717 |
1317 |
357 |
760 |
883 |
825
|
| Capacidad calorífica específica, kcal/kg °C |
0.038 |
0.037 |
1.05 |
0.033 |
0.182 |
0.30 |
0.26
|
| Densidad en el punto de fusión, g/cm³ |
10.0 |
10.7 |
0,61 |
13.7 |
0.82 |
0.93 |
0.89
|
| Conductividad térmica, kcal/m·h °С |
0.037 |
0.036 |
0.1 |
0.039 |
0.20 |
0.17 |
0.068
|
| Solubilidad en uranio a 500 °C, wt. % |
0.9 |
0.02 |
0.01 |
25 |
— |
Muy pequeña |
—
|
| Propiedades de corrosión |
— |
— |
Buenos |
Satisfactorio |
— |
Buenos |
—
|
| Sección transversal de captura de neutrones térmicos, granero |
0.032 |
0.17 |
67 |
360 |
1.97 |
0.49 |
0,96
|
Ventajas
El uso de refrigerantes metálicos líquidos en instalaciones nucleares tiene una serie de ventajas:
- Los metales líquidos tienen baja presión de vapor. La presión en el sistema está determinada únicamente por la pérdida de presión en el circuito, que suele ser inferior a 7 atm. La baja presión simplifica significativamente el diseño y operación tanto del reactor como de los equipos auxiliares de la estación.
- El alto punto de ebullición de los metales líquidos proporciona una gran flexibilidad en la operación. Por ejemplo, si la temperatura del refrigerante a la salida del reactor aumenta significativamente, entonces la fusión de los elementos combustibles debido al deterioro de la transferencia de calor debido a la formación de una película de vapor, como sucede cuando se enfría con agua, no lo hará. ocurrir. Los flujos de calor permisibles son prácticamente ilimitados por las cargas de calor críticas. El reactor con circuito de sodio tiene flujos de calor de hasta 2,3⋅10 6 kcal/m²·hy una tensión volumétrica específica de 1000 kW/l.
- La alta conductividad eléctrica de los metales alcalinos líquidos permite el uso completo de bombas electromagnéticas selladas (CC y CA). En términos de consumo de energía para el bombeo, los metales líquidos son solo ligeramente inferiores al agua. De los metales líquidos, los metales alcalinos tienen las mejores características en términos de consumo de energía para el bombeo. Si, por ejemplo, el consumo de energía para bombear sodio líquido se toma como una unidad, entonces para el mercurio será 2.8 y para el bismuto - 4.8.
- A diferencia de otros metales líquidos, el Na y el Na-K tienen un bajo efecto corrosivo y erosivo en los materiales estructurales. Para el eutéctico de sodio y Na-K , se pueden usar muchos de los materiales comunes.
- El más barato de los metales líquidos es el sodio, seguido del plomo y el potasio. Dado que el volumen del sistema de transferencia de calor suele ser relativamente pequeño y la recarga es rara, el costo del medio de transferencia de calor es insignificante.
- Los metales líquidos son sustancias monoatómicas, por lo que no surge el problema de las perturbaciones por radiación en los refrigerantes. Aunque algunos de los átomos de metal líquido se convierten en otro metal (por ejemplo, 24 Na se convierte en 24 Mg ), el número de tales transformaciones con los flujos de neutrones existentes en los reactores es insignificante.
Desventajas
- Los metales alcalinos son altamente reactivos. El mayor peligro es la reacción con el agua. Por lo tanto, en sistemas con ciclos de vapor-agua, se deben proporcionar dispositivos para garantizar la seguridad contra explosiones. Para evitar la oxidación del metal, debe excluirse su contacto con el aire, ya que el óxido de Na es insoluble en Na líquido y Na-K, y la inclusión de óxidos puede provocar el bloqueo de canales individuales. La presencia de óxidos de sodio en Na y Na-K líquidos también afecta las propiedades corrosivas de los refrigerantes. El sodio y el Na-K deben almacenarse en un entorno de gas inerte ( He , Ar ).
- La activación del refrigerante conduce a la necesidad de disponer una protección biológica para la parte exterior del circuito del sistema de transferencia de calor. La solución a este problema se vuelve más complicada para la radiación γ de alta energía y para la bremsstrahlung .
Los isótopos de Na y K tienen períodos de descomposición cortos, pero cuando el metal se contamina con impurezas activas con un período de descomposición prolongado, la tarea de protección contra la actividad se vuelve más complicada y es necesario crear un diseño que permita eliminar todo el metal líquido de el sistema durante su reparación. Las circunstancias señaladas hacen necesario imponer mayores requisitos sobre la pureza química de los metales líquidos.
- Los dispositivos adicionales, cuyo uso es necesario en relación con el uso de refrigerantes de metal líquido, complican significativamente el esquema tecnológico de una central nuclear. Estos dispositivos adicionales son:
- Instalación para fusión y transferencia de metal líquido al circuito (para eutéctico Na-K, no se requiere tanque de fusión);
- Dispositivo para la eliminación de óxidos. A través de este dispositivo, conectado en paralelo al circuito principal, se establece un pequeño caudal de metal líquido; por lo tanto, se lleva a cabo una limpieza continua del refrigerante de óxidos;
- Trampas para vapores de metales líquidos arrastrados por el flujo de gas del sistema durante su vaciado y llenado. Los flujos de gas con vapores de metal líquido también son posibles desde otros dispositivos (tanques de compensación, etc.).
Las desventajas de usar sodio líquido también deben incluir su capacidad para penetrar en los poros del grafito . La presencia de una gran cantidad de lastre de sodio en los poros conduciría a grandes pérdidas de neutrones debido a la sección transversal de captura de neutrones relativamente grande del sodio. Para evitar el contacto entre el sodio y el grafito, este último suele estar protegido por una lámina de un metal (como el zirconio ) que absorbe débilmente los neutrones.
Véase también
Notas
- ↑ Mazurenko Vyacheslav Nikolaevich. CAPÍTULO 2. Submarino de prueba nuclear K-27 (proyecto 645) // K-27 "Metal líquido" . - Biblioteca de Maxim Moshkov .
Literatura
- Petunin V.P. Ingeniería termoeléctrica de instalaciones nucleares. Moscú: Atomizdat , 1960.
- Levin VE Física nuclear y reactores nucleares. 4ª ed. — M.: Atomización , 1979.