Comprendere i raffreddatori di metalli liquidi in reattori di allevamento rapido

I reattori ad allevamento rapido (FBR) rappresentano una pietra angolare della tecnologia nucleare avanzata, progettata per produrre più combustibile fissile di quanto consumano mentre generano simultaneamente energia.

Il ruolo centrale dei refrigeranti nei reattori di Breeder Veloce

In ogni reattore nucleare, il refrigerante serve come agente di trasferimento di calore primario, che trasporta l'energia termica dai gruppi di combustibile ai generatori di vapore o sistemi di conversione di potenza diretta. In FBR, il refrigerante deve anche sostenere un eccellente spettro di neutroni. L'acqua, a causa del suo contenuto di idrogeno, rallenta i neutroni di neutroni troppo efficaci.

Tipi di liquido refrigerante metalli

Mentre sono stati studiati diversi metalli liquidi, tre sono emersi come candidati principali per applicazioni di reattori veloci: sodio, piombo e e eutettico di piombo-bismuto (LBE).

Sondaggio

Il sodio è il refrigerante liquido più utilizzato nei FBR operativi, tra cui il Phénix e il Superphénix della Francia, il BN-600 e il BN-800 della Russia, e il Monju del Giappone. Il sodio ha un punto di fusione di neutroni di 97,8 °C e un punto di ebollizione di 883 °C a pressione atmosferica, fornendo un ampio range di liquidi.

Il contatto con l'acqua produce gas idrogeno e idrossido di sodio, che può portare a condizioni corrosive e potenziali esplosioni. Il contatto con l'aria porta ad una rapida ossidazione, formando aerosol di ossido di sodio che sono irritanti chimicamente. Pertanto, i reattori di raffreddamento del sodio richiedono gas di copertura inerti (tipicamente argon) e sistemi di rilevamento delle perdite rigorose.

Piombo e Lead-Bismuth Eutectic

L'acqua di piombo e piombo-bismuto (LBE) stanno guadagnando interesse rinnovato per i reattori veloci avanzati, tra cui i progetti di generazione IV come il reattore rapido raffreddato a piombo (LFR). Il piombo ha un alto punto di ebollizione (1749 °C), eccellenti proprietà di schermatura contro la radiazione gamma, e la bassa reattività chimica con acqua e aria.

Il principale svantaggio dei refrigeranti a base di piombo è la loro elevata densità (periodo ~11.3 g/cm3, LBE ~10.5 g/cm3), che impone notevoli carichi strutturali sui vasi e sugli interni dei reattori. Ciò richiede un design sismico robusto e una gestione attenta dei carichi delle pompe. Inoltre, il piombo e l'LBE sono corrosivi all'acciaio a temperature elevate, soprattutto se i livelli di ossigeno non sono accuratamente controllati.

Altri raffreddatori di metalli liquidi

La ricerca ha anche esplorato il potassio di sodio (NaK), il mercurio, il gallio e anche il litio liquido. NaK (un eutettico di sodio e potassio) rimane liquido a temperatura ambiente, che semplifica le procedure di avvio e di arresto, ma mantiene la reattività chimica del sodio.

Vantaggi termici-idraulici dei refrigeranti del metallo liquido

I metalli liquidi eccelleno nel trasferimento di calore a causa della loro elevata conducibilità termica e della loro specifica capacità termica rispetto al volume che occupano. In un nucleo del reattore, il flusso di calore da perni di combustibile può superare 1 MW/m2; i metalli liquidi possono rimuovere questo calore con modeste differenze di temperatura tra la superficie del combustibile e la massa refrigerante.

I metalli liquidi hanno grandi coefficienti di espansione termica, e i loro cambiamenti di densità con temperatura possono guidare un flusso naturale robusto anche a basse velocità di flusso. In caso di guasto della pompa, questa circolazione passiva può rimuovere il calore di decadimento dal nucleo indefinitamente, a condizione che la geometria del reattore sia progettata per esso.

Neutronica e prestazioni di allevamento

La selezione del refrigerante influisce direttamente sull'economia di neutroni di un FBR. Il refrigerante ideale dovrebbe avere una sezione trasversale di assorbimento di neutroni molto bassa per preservare la popolazione di neutroni per l'allevamento. La sezione trasversale di assorbimento del sodio è bassa ma non zero; la cattura parassita nel refrigerante riduce leggermente il guadagno di allevamento atomico.

In pratica, i FBR raffreddati a sodio hanno dimostrato un rapporto di allevamento di 1,2 o più, il che significa che producono il 20% in più di materiale fissile rispetto al consumo. I progetti raffreddati a piombo con ossido avanzato o combustibile metallico sono progettati per raggiungere i rapporti di allevamento superiori a 1,3, mentre sono in grado di consumare il plutonio esistente e gli attuanidi minori.

Sfide e soluzioni ingegneristiche

Nonostante i loro vantaggi, i refrigeranti metallici liquidi presentano sfide ingegneristiche uniche che hanno ritardato la diffusione diffusa di FBRs. Queste sfide abbracciano la compatibilità dei materiali, il controllo della chimica, la strumentazione, la manutenzione e la sicurezza.

Materiali Compatibilità e Corrosione

Gli acciai inossidabili (ad esempio, 316, 316L e HT-9) sono comunemente utilizzati nei refrigeranti del sodio, ma devono essere protetti dalla corrosione mantenendo bassi livelli di ossigeno (±10 ppm) ed evitando le impurità.

Reattività chimica

I generatori di vapore nelle FBR raffreddate a sodio devono essere progettati per prevenire, rilevare e mitigare le reazioni di sodio-acqua. In genere, i cicli intermedi di sodio separano il sodio primario dal sistema di vapore, con un disco di rottura e valvole di rilievo per controllare la pressione dalla generazione di idrogeno.

Progettazione e strumentazione della pompa

Le pompe elettromagnetiche (EM) sono favorite per il sodio e l'LBE perché non hanno parti in movimento, riducono l'usura e la manutenzione. Le pompe EM utilizzano un campo elettrico e magnetico per indurre una forza Lorentz direttamente sul liquido. Tuttavia, hanno una minore efficienza delle pompe meccaniche e richiedono grandi alimentatori.

Manutenzione e ispezione

Poiché il refrigerante diventa altamente radioattivo nei reattori raffreddati a sodio, la manutenzione dei componenti in-vessel richiede sofisticate apparecchiature di manipolazione a distanza. Molti reattori raffreddati a sodio hanno avuto fattori di bassa disponibilità a causa di difficoltà con rifornimento e riparazioni. Reattori robotizzati a piombo, con attivazione a ultra-raffreddante inferiore (ad eccezione del polonio in LBE), possono consentire un accesso più facile, ma l'opacità e l'alta densità di controllo visivo del piombo di controllo del compendio.

Strategie di sicurezza e esperienza regolamentare

La sicurezza dei reattori veloci raffreddati a metalli liquidi è stata studiata in modo approfondito attraverso decenni di ricerca e di funzionamento. Le principali sfide di sicurezza differiscono per tipo di refrigerante. Per il sodio, il pericolo principale è il fuoco di sodio e il potenziale per la reattività del vuoto del refrigerante positivo, una condizione in cui l'ebollizione o la perdita di sodio aumenta la reattività, eventualmente portando a escursioni di potenza.

Il piombo e l'LBE hanno anche dei coefficienti di reattività del vuoto positivi, ma l'alto punto di ebollizione del piombo (1749 °C) rende il vuoto refrigerante improbabile anche in condizioni di grave incidente. Il rischio principale per i reattori raffreddati a piombo è il congelamento del liquido freddo; i riscaldatori elettrici di backup e il calore di decadimento devono mantenere il liquido liquido liquido liquido liquido durante l'arresto.

I codici di sicurezza internazionali per i reattori veloci, come gli standard di sicurezza dell'AIEA e le linee guida di sicurezza del Forum Internazionale del Gen IV, sottolineano la difesa in profondità, il contenimento e l'inclusione di misure di incidente gravi. Molti FBR incorporano dispositivi di bloccaggio del nucleo per mantenere il combustibile fuso se si verifica un evento di fusione del nucleo, impedendo la criticità e contenenti prodotti di fissione.

Sviluppo attuale e futuro

La Russia continua a operare i reattori BN-600 e BN-800 raffreddati a sodio e sta costruendo il BN-1200M, mirando alla competitività commerciale. L'India gestisce un piccolo reattore FBR raffreddato a sodio (FBTR) e sta costruendo un reattore rapido a 240° FBR (PFBR) di 500 MWe.

Per il piombo, la Russia ha avviato il reattore BREST-300 raffreddato a piombo presso la siberiana Chemical Combine, e il progetto MYRRHA dell'Unione Europea (un sistema a acceleratore raffreddato a LBE) è in progettazione. Gli Stati Uniti hanno diversi concetti SMR raffreddati a piombo, come LFR di Westinghouse, e il Versatile Test Reactor (VTR) progetto inizialmente considerato raffreddante LBEant.

La ricerca continua si concentra sui combustibili avanzati (leghe metalliche, nitride, matrice inerte), sui materiali strutturali migliorati (acciaio ODS, SiC compositi), sulle migliori tecniche di ispezione in servizio e sullo sviluppo di sensori chimici per il monitoraggio continuo dell'impurità.

Il potenziale dei refrigeranti liquidi in metallo si estende oltre la generazione di energia elettrica, offrendo calore ad alta temperatura per la produzione di idrogeno, la dissoluzione e le applicazioni industriali. La loro capacità di bruciare gli azionamenti li rende preziosi per la gestione dei rifiuti e la resistenza alla proliferazione.

Conclusioni

I refrigeranti liquidi in metallo sono parte integrante del funzionamento e della sicurezza dei reattori veloci. I sistemi di produzione termica, di neutroni, di reattività chimica e di compatibilità dei materiali. L'esperienza estesa con il sodio ha permesso di ridurre una solida base di tecnologia, mentre i sistemi basati sui piombo promettono una maggiore sicurezza passiva e una chimica semplificata del refrigerante.