Кіріспе

Сұйық металлмен суытылатын ядролық реактор немесе LMR – негізгі суытқышы сұйық металл болатын ядролық реактор түрі. Сұйық металлмен суытылатын реакторлар алғаш рет көбейту реакторының қуат өндіруіне бейімделген. Олар сондай-ақ ядролық суасты кемелерін қуаттандыру үшін де қолданылған. Жоғары жылу өткізгіштігіне байланысты металл суытқыштарды тиімді түрде жылуды шығаруға мүмкіндік береді, бұл жоғары қуат тығыздығын қамтамасыз етеді. Бұл оларды кемелер мен суасты кемелері сияқты өлшем мен салмаққа қатысты шектеулер бар жағдайларда өте тартымды етеді. Көптеген суға негізделген реактор конструкциялары қайнау температурасын көтеру үшін жоғары қысыммен жабдықталады (соның арқасында салқындату мүмкіндіктері жақсартылады), бұл сұйық металл конструкцияларында жоқ қауіпсіздік және техникалық қызмет көрсету мәселелерін тудырады. Сонымен қатар, сұйық металдың жоғары температурасын жоғары термодинамикалық тиімділікпен қуат түрлендіру циклдарын жүзеге асыру үшін пайдалануға болады. Бұл оларды электр қуатын арттыру, шығындарды төмендету және ядролық электр станцияларында отынның тиімділігін жақсарту үшін тартымды етеді. Сұйық металдардың электр өткізгіштігі жоғары болғандықтан, оларды электромагниттік сорғылармен жылжытуға болады. Кемшіліктеріне мыналар жатады: мөлдір емес балқытылған металға батырылған реакторды тексеру және жөндеу қиындықтары, сондай-ақ металдың түріне байланысты өрт қаупі (сілті металдар үшін), коррозия және/немесе радиоактивті активтендіру өнімдерінің пайда болуы мүмкін.

Қолданбалар

Сұйық металл салқындатқышы термиялық және жылдам нейтрондық реакторлардың екеуіне де қолданылған. Бүгінгі күнге дейін көптеген жылдам нейтрондық реакторлар сұйық металлмен салқындатылып, сондықтан сұйық металлмен салқындатылатын жылдам реакторлар (LMFR) деп аталады. Егер олар өндірістік реактор ретінде (мысалы, өндірістік қаптамасымен) құрастырылса, онда олар сұйық металлмен салқындатылатын жылдам өндірістік реакторлар (LMFBR) деп аталады.

Салқындатқыш қасиеттері

Ыңғайлы сұйық металл салқытқыштардың нейтрондарды ұстау қимасы төмен болуы керек, олар конструкциялық материалдардың күшті коррозиясына себеп болмауы керек, сондай-ақ реактордың жұмыс температурасына сәйкес келетін балқу және қайнау температураларына ие болуы керек. Сұйық металдардың қайнау температурасы жоғары, бұл салқытқыштың қайнау мүмкіндігін азайтады, бұл салқытқыш апаттарына әкелуі мүмкін. Төмен бу қысымы, салқытқыштың сыртқы қысымға жақын жағдайда жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, бұл апаттардың болу ықтималдығын одан әрі төмендетеді. Кейбір конструкциялар бүкіл реакторлық ядроны және жылу алмастырғыштарды салқытқышпен толтырылған резервуарға батырады, бұл ішкі контурдың салқындатылуын жоғалту қаупін дерлік жояды. +Сұйық металл салқытқыштарМеталл салқытқыштарБалқу температурасыҚайнау температурасыНатрий97.72 °C, (207.9 °F) 883 °C, (1621 °F) NaK−11 °C, (12 °F) 785 °C, (1445 °F) Меркурий−38.83 °C, (−37.89 °F) 356.73 °C (674.11 °F) Қорғасын327.46 °C, (621.43 °F) 1749 °C, (3180 °F) Қорғасын-бисмут эвтектикасы123.5 °C, (254.3 °F) 1670 °C, (3038 °F) Тін231.9 °C, (449.5 °F) 2602 °C, (4716 °F)

Жиде

Клементин – алғашқы сұйық металлмен салқындатылған ядролық реактор және ртуть салқындатқышын пайдаланды, себебі ол бөлме температурасында сұйық болатын, сондықтан бұл ең оңтайлы таңдау деп есептелді. Дегенмен, жоғары уыттылығы, тіпті бөлме температурасында жоғары бу қысымы, қыздырғанда зиянды газдар бөлетін төмен қайнау температурасы, салыстырмалы түрде төмен жылу өткізгіштігі және жоғары нейтрон қимасы сияқты кемшіліктеріне байланысты, ол қолданудан шығып қалды.

Натрий және NaK

Натрий және NaK (эутектикалық натрий-калий қорытпасы) болатты айтарлықтай дәрежеде тоздырмайды және көптеген ядролық отындармен үйлесімді, бұл құрылымдық материалдарды кең таңдауға мүмкіндік береді. NaK 1951 жылы алғашқы көбейту реакторының прототипі – Эксперименталды көбейту реакторы-1-де салқындатқыш ретінде қолданылды. Дегенмен, натрий мен NaK ауамен жанасқанда өздігінен тұтанады және сумен күшті реакцияға түсіп, сутегі газын бөліп шығарады. 1995 жылы Монжу атом электр стансасында болған апат пен өрт осыған байланысты болды. Натрий сондай-ақ Ресейдің BN реакторлар сериясында және Қытайдың CFR сериясында коммерциялық түрде қолданылатын салқындатқыш болып табылады. Натрийдің нейтрондық белсенділігі осы сұйықтықтардың жұмыс істеу кезінде жоғары радиоактивті болуына себеп болады, бірақ оның жартылай ыдырау периоды қысқа болғандықтан, бұл радиоактивтілік қосымша кәдеге жарату мәселесін тудырмайды. Натриймен салқындатылатын IV буын LMFR үшін екі ұсыныс бар: біреуі оксидтік отынға, екіншісі металл отынмен жабдықталған интегралды жылдам реакторға негізделген.

Қорғасын

Қорғасын тамаша нейтрондық қасиеттерге ие (көтеру, төмен сіңіру) және гамма сәулелерінен қорғану үшін өте тиімді қалқан болып табылады. Қорғасынның жоғары қайнау температурасы қауіпсіздік артықшылықтарын қамтамасыз етеді, себебі ол реакторды қалыпты жұмыс жағдайларынан бірнеше жүз градус Цельсийге дейін тиімді түрде салқындата алады. Дегенмен, қорғасынның жоғары балқу температурасы және жоғары бу қысымы болғандықтан, қорғасынмен салқындатылатын реакторды қайта толтыру және күтіп-жөндеу қиынға соғады. Балқу температурасын қорғасынды висмутпен қорыту арқылы төмендетуге болады, бірақ қорғасын-висмут эвтектикасы құрылымдық материалдар үшін қолданылатын көптеген металдарға өте коррозиялық болып келеді.

Қорғасын-бисмут эутектикасы

Қорғасын-висмут эутектикасы төмен температурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді, сонымен бірге металл салқындатқыштың төмен температуралық аймақта қатуын қамтамасыз етеді (эутектикалық нүктесі: 123,5 °C / 255,3 °F). Өте коррозиялық қасиеттеріне қарамастан, ол ядролық апаттарда немесе салқындатқыш жоғалту жағдайларында қосымша немесе балама салқындатқыш ретінде пайдалы болуы мүмкін. Одан әрі, қалайының жоғары қайнау температурасы және тіпті сұйық қалайының үстіне де қабықша түзу қабілеті, зиянды ағып шығуларды жабуға және салқындатқышты реактордың ішінде ұстап тұруға көмектеседі. Бұл технология украин зерттеушілерімен сынақтан өткізілді және Фукусима-1 ядролық апатындағы қайнап су реакторларын сұйық қалайымен салқындатылатын реакторларға түрлендіру ұсынылды.

Су асты кемелері

К-27 және барлық жеті советтік суасты кемесі қорғасын-бисмут эвтектикасымен суытылған және бериллиймен баяулатылған реакторларды қозғалтқыштары ретінде пайдаланды. (К-27-де VT 1 реакторлары; басқаларында BM 40A және OK 550 реакторлары). Екінші ядролық суасты кемесі – "Сивольф" – натриймен суытылған, бериллиймен баяулатылған ядролық қуат станциясына ие АҚШ-тың жалғыз суасты кемесі болды. Ол 1957 жылы қолданысқа енгізілді, бірақ оның супернагревательдерінде ақаулар болды, олардың қызметі тоқтатылды. Флоттағы реакторларды стандартизациялау мақсатында 1958 жылдан бастап суасты кемесінің натриймен суытылған, бериллиймен баяулатылған реакторы алынып, қысымды су реакторымен ауыстырылды.

Ядролық ұшақтар

Сұйық металлмен салқындатылатын реакторлар Пратт & Уитни компаниясы ядролық ұшақтарда қолдану мақсатында, Ұшақтарды ядролық қуатпен қозғалту бағдарламасы аясында зерттелді.