Введение

Ядерный реактор, в котором в качестве теплоносителя используется жидкий металл.

Ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем, или LMR, – это тип ядерного реактора, в котором первичным теплоносителем является жидкий металл. Реакторы с жидкометаллическим теплоносителем впервые были адаптированы для выработки энергии в реакторах-размножителях. Они также использовались для привода атомных подводных лодок. Благодаря высокой теплопроводности, металлические теплоносители эффективно отводят тепло, обеспечивая высокую плотность мощности. Это делает их привлекательными в ситуациях, где важны размеры и вес, например, на кораблях и подводных лодках. Большинство конструкций реакторов на водной основе работают под высоким давлением для повышения температуры кипения (что улучшает возможности охлаждения), что создает проблемы безопасности и обслуживания, которых нет в конструкциях с жидкометаллическим теплоносителем. Кроме того, высокая температура жидкого металла может использоваться для привода циклов преобразования энергии с высокой термодинамической эффективностью. Это делает их привлекательными для повышения выработки электроэнергии, экономической эффективности и топливной эффективности на атомных электростанциях. Жидкие металлы, обладая высокой электропроводностью, могут перемещаться электромагнитными насосами. К недостаткам относятся трудности, связанные с осмотром и ремонтом реактора, погруженного в непрозрачный расплавленный металл, а также, в зависимости от выбора металла, риск возгорания (для щелочных металлов), коррозии и/или образования радиоактивных продуктов активации.

Приложения

Жидкий металлический теплоноситель применялся как в тепловых, так и в быстрых нейтронных реакторах. На сегодняшний день большинство быстрых нейтронных реакторов охлаждаются жидким металлом и поэтому называются быстрыми реакторами с жидкометаллическим охлаждением (LMFR). При использовании в качестве реактора-размножителя (например, с размножающим покрытием) такие реакторы называются быстрыми реакторами-размножителями с жидкометаллическим охлаждением (LMFBR).

Собственности охлаждающей жидкости

Подходящие жидкие металлические теплоносители должны иметь низкое сечение захвата нейтронов, не должны вызывать чрезмерную коррозию конструкционных материалов и должны иметь температуры плавления и кипения, подходящие для рабочей температуры реактора. Жидкие металлы обычно имеют высокую температуру кипения, что снижает вероятность закипания теплоносителя, что может привести к аварии с потерей теплоносителя. Низкое давление пара позволяет работать при близком к атмосферному давлении, что значительно снижает вероятность аварии. Некоторые конструкции погружают все ядро и теплообменники в бассейн теплоносителя, практически исключая риск потери охлаждения во внутреннем контуре. +Жидкие металлические теплоносителиМеталлический теплоносительТемпература плавленияТемпература кипенияНатрий97,72 °C (207,9 °F)883 °C (1621 °F)NaK−11 °C (12 °F)785 °C (1445 °F)Ртуть−38,83 °C (−37,89 °F)356,73 °C (674,11 °F)Свинец327,46 °C (621,43 °F)1749 °C (3180 °F)Эвтектика свинец-висмут123,5 °C (254,3 °F)1670 °C (3038 °F)Олово231,9 °C (449,5 °F)2602 °C (4716 °F)

Ртуть

Клементина был первым ядерным реактором с жидкометаллическим охлаждением и использовал ртуть в качестве теплоносителя, что казалось очевидным выбором, поскольку она остается жидкой при комнатной температуре. Однако из-за недостатков, таких как высокая токсичность, высокое давление пара даже при комнатной температуре, низкая температура кипения, приводящая к образованию ядовитых паров при нагревании, относительно низкая теплопроводность и большое сечение захвата нейтронов, ртуть перестала быть популярным теплоносителем.

Натрий и NaK

Натрий и NaK (эвтектический сплав натрия и калия) не вызывают значительной коррозии стали и совместимы со многими ядерными топливами, что обеспечивает широкий выбор конструкционных материалов. NaK использовался в качестве теплоносителя в первом прототипе реактора-размножителя, Экспериментальном реакторе-размножителе-1, в 1951 году. Однако натрий и NaK самовоспламеняются при контакте с воздухом и бурно реагируют с водой, выделяя водород. Это произошло на АЭС Монжу в 1995 году в результате аварии и пожара. Натрий также используется в качестве теплоносителя в российских реакторах серии БН и китайских реакторах серии CFR, находящихся в коммерческой эксплуатации. Нейтронная активация натрия приводит к высокой радиоактивности этих жидкостей во время работы, однако короткий период полураспада не создает дополнительных проблем при утилизации. Существует два проекта натриевых жидкометаллических реакторов поколения IV (LMFR), один – с оксидным топливом, другой – с металлическим топливом интегрального реактора на быстрых нейтронах.

Свинец

Свинец обладает отличными нейтронными свойствами (отражение, низкое поглощение) и является очень эффективным радиационным экраном против гамма-лучей. Высокая температура кипения свинца обеспечивает преимущества в безопасности, так как он может эффективно охлаждать реактор даже при нагреве на несколько сотен градусов Цельсия выше нормальных рабочих условий. Однако, из-за высокой температуры плавления и давления пара, перезагрузка и обслуживание реактора, охлаждаемого свинцом, представляют собой сложную задачу. Температуру плавления можно снизить, легируя свинец висмутом, но эвтектика свинец-висмут обладает высокой коррозионной активностью по отношению к большинству металлов, используемых для конструкционных материалов.

Эутектик свинцово-бисмутовый

Свинцово-висмутовый эвтектический сплав позволяет работать при более низких температурах, предотвращая замерзание жидкого металлического теплоносителя в более низком температурном диапазоне (эвтектическая точка: 123,5 °C / 255,3 °F). Несмотря на высокую коррозионную активность, он может быть полезным в качестве дополнительного или запасного теплоносителя при ядерных катастрофах или при авариях с потерей теплоносителя. Дополнительные преимущества олова – высокая температура кипения и способность образовывать корку даже над жидким оловом, что помогает локализовать ядовитые утечки и удерживать теплоноситель внутри и вокруг реактора. Он был испытан украинскими исследователями и предложен для перевода реакторов с кипящей водой на АЭС Фукусима-Дайити на жидкооловянное охлаждение.

Подводные лодки

Советская подводная лодка К-27 и все семь её реакторов использовали жидкометаллические реакторы, охлаждаемые свинцово-висмутовым эвтектиком и замедленные бериллием, в качестве энергетической установки. (Реакторы ВТ-1 на К-27; БМ-40А и ОК-550 на других подводных лодках). Вторая атомная подводная лодка, Seawolf, была единственной американской подводной лодкой, оснащенной ядерной энергетической установкой с натриевым охлаждением и бериллиевым замедлителем. Она была введена в эксплуатацию в 1957 году, но в её перегревателях были обнаружены утечки, которые были временно обойдены. С целью стандартизации реакторов в составе флота, начиная с 1958 года, натриевый реактор с бериллиевым замедлителем был демонтирован и заменен на реактор с водой под давлением.

Ядерные самолеты

Жидкометаллические реакторы с охлаждением изучались компанией Pratt & Whitney для применения в ядерных летательных аппаратах в рамках программы ядерной двигательной установки для самолетов.