Реактор із рідкометалевим теплоносієм

Реактор з рідкометалевим теплоносієм(ЖМТ) - ядерний реактор, що використовує як теплоносій розплавлений метал.

Зміст

Перші проекти реакторів з рідкометалевим теплоносієм з'явилися в 1950-х роках, роботи велися в СРСР та США.

У СРСР розробка проводилася у Фізико-енергетичному інституті, науковим керівником проекту став академік Академії наук Української РСР О. І. Лейпунський. Одним із перших варіантів практичного застосування реактора стало використання установки на дослідному підводному човні К-27.

Першим серійним ЖМТ реактором у світі став реактор БМ-40А (ОК-550) для ПЛА проекту 705(К) "Ліра". Надалі на базі цього реактора було створено серію реакторів СВБР.

Для ПЛА і підводних дронів ЖМТ реактор привабливий через компактність і низьку вагу, швидкого набору потужності, необхідної для маневрування в бойових умовах, а також підвищеної потенційної безпеки реактора, в тому числі і здатності реактора мимоволі зменшувати потужність в аварійних ситуаціях. [1]

При турбулентному перебігу рідин у трубах передача тепла здійснюється за рахунок турбулентного перемішування потоку, і шляхом молекулярної теплопровідності теплоносія. Рідкометалеві теплоносії мають кращу в порівнянні з іншими теплоносіями молекулярну теплопровідність. Це визначає більшу частку тепла, що переноситься за рахунок теплопровідності, і забезпечує кращі теплопередаючі властивості рідких металів, що в основному і визначає їх широке використання теплоносіїв.

Рідкі метали є єдиними теплоносіями, що задовольняють усім вимогам щодо тепловідведення та ядерних властивостей, що висуваються до енергетичних реакторів напроміжних та швидких нейтронах, а також до реакторів-розмножувачів.

Деякі ядерні та теплофізичні властивості рідких металів, що знайшли застосування в техніці реакторобудування, наведені в таблиці.

Властивості Метали

Bi	Pb	Li	Hg	До	Na	Na-K
Температура плавлення, °C	271	327,4	186	−39	64	98	19
Температура кипіння, °C	1477	1717	1317	357	760	883	825
Питома теплоємність, ккал/кг °С	0,038	0,037	1,05	0,033	0,182	0,30	0,26
Щільність при температурі плавлення, г/см³	10,0	10,7	0,61	13,7	0,82	0,93	0,89
Теплопровідність, ккал/м·год °С	0,037	0,036	0,1	0,039	0,20	0,17	0,068
Розчинність в урані за 500 °C, вага. %	0,9	0,02	0,01	25	-	Дуже мала	-
Корозійні властивості	-	-	Гарні	Задовільні	-	Гарні	-
Перетин захоплення теплових нейтронів, барн	0,032	0,17	67	360	1,97	0,49	0,96

Використання рідкометалевих теплоносіїв в ядерних установках має ряд переваг:

1. Рідкі метали мають малу пружність пар. Тиск у системі визначається лише втратою напору в контурі, що зазвичай менше 7 атм. Низький тискістотно спрощує конструкцію та експлуатацію як реактора, так і допоміжного обладнання станції.
2. Висока температура кипіння рідких металів забезпечує більшу гнучкість у роботі. Наприклад, якщо температура теплоносія на виході з реактора значно підвищиться, то розплавлення тепловиділяючих елементів, зумовленого погіршенням тепловіддачі через утворення парової плівки, як це відбувається при охолодженні водою, не відбудеться. Допустимі теплові потоки практично не обмежені критичними тепловими навантаженнями. Реактор з натрієвим контуром має теплові потоки до 2,3⋅10 6 ккал/м²·год та питому об'ємну напруженість 1000 кВт/л.
3. Висока електропровідність рідких лужних металів дозволяє повністю використовувати герметизовані електронасоси (постійного та змінного струму). За витратою енергії на прокачування рідкі метали лише трохи поступаються воді. З рідких металів кращі характеристики витрати енергії на прокачування мають лужні метали. Якщо, наприклад, витрати енергії на прокачування рідкого натрію прийняти за одиницю, то ртуті це буде 2,8, а вісмуту 4,8.
4. На відміну від інших рідких металів, Na і Na-K мають малий корозійний та ерозійний вплив на конструкційні матеріали. Для натрію та евтектики Na-K можна застосовувати багато звичайних матеріалів.
5. Найбільш дешевим із рідких металів є натрій, потім свинець та калій. Оскільки об'єм теплопередавальної системи зазвичай відносно невеликий, а перезаряджання проводиться рідко, витрати на теплоносій незначні.
6. Рідкі метали є одноатомними речовинами, тому проблема радіаційних порушень у теплоносіях не виникає. Хоча деяка частина атомів рідкого металу і перетворюється на інший метал (наприклад, 24 Naпереходить у 24 Mg), але кількість таких перетворень при існуючих нейтронних потоках в реакторах дуже мало.

1. Лужні метали мають велику хімічну активність. Найбільшу небезпеку становить реакція із водою. Тому в системах з пароводяними циклами мають бути передбачені пристрої, що забезпечують вибухобезпечність. Щоб уникнути окислення металу, зіткнення його з повітрям має бути виключено, оскільки окис Na не розчиняється в рідкому Na і Na-K, а включення оксидів може призвести до закупорки окремих каналів. Наявність у рідкому Na і Na-K оксидів натрію погіршує також корозійні властивості теплоносіїв. Натрій та Na-K повинні зберігатися в середовищі інертного газу (He, Ar).
2. Активація теплоносія призводить до необхідності влаштовувати для зовнішньої частини контуру теплопередавальної системи біологічний захист. Вирішення цієї проблеми ускладнюється для γ-випромінювання високої енергії та для гальмівного випромінювання. Ізотопи Na і К мають малі періоди розпаду, але при забрудненні металу активними домішками з великим періодом розпаду завдання захисту від активності ускладнюється, і потрібно створення такої конструкції, яка б виводити весь рідкий метал із системи при її ремонті. Зазначені обставини змушують пред'являти підвищені вимоги до хімічної чистоти рідких металів.
3. Додаткові пристрої, застосування яких необхідно у зв'язку з використанням рідкометалевих теплоносіїв, значно ускладнюють технологічну схему ядерно-енергетичної установки. Такими додатковими пристроями є:

1. Установка для плавлення та передавлювання рідкого металу в контур (для Na-K-евтектики плавильний бак не потрібний);
2. Пристрій для видалення оксидів. Через цепристрій, включений паралельно основному контуру, встановлюється невелика витрата рідкого металу; таким чином, здійснюється безперервне очищення теплоносія від оксидів;
3. Пастки для парів рідкого металу, що виносяться газовим потоком із системи при її випорожненні та заповненні. Газові потоки з парами рідкого металу можливі і з інших апаратів (буферні бачки та ін.).

До недоліків використання рідкого натрію необхідно також віднести його здатність проникати в пори графіту. Наявність великої кількості баластного натрію в порах призвела б до великих втрат нейтронів через великий переріз захоплення нейтронів натрієм. Для запобігання контакту між натрієм і графітом останній зазвичай захищається фольгою з металу (наприклад, цирконію), що слабко поглинає нейтрони.

---