Понимание жидких металлических охладителей в реакторах быстрого разведения

Реакторы быстрого селекционирования (FBR) представляют собой краеугольный камень передовой ядерной технологии, предназначенной для производства большего количества расщепляющегося топлива, чем они потребляют при одновременном производстве энергии. Центральным элементом их работы является система охлаждающей жидкости, где жидкие металлические охлаждающие жидкости играют незаменимую роль. В отличие от обычных реакторов легкой воды, которые полагаются на воду в качестве модератора и охлаждающей жидкости, FBR требуют среды, которая не замедляет нейтроны - быстрые нейтроны необходимы для разведения плодородных изотопов, таких как уран-238, в расщепляющийся плутоний-239. Жидкие металлические охлаждающие жидкости отвечают этому требованию с выдающимися тепловыми свойствами, химической стабильностью при облучении нейтронами и минимальной модерацией нейтронов. Эта статья предлагает углубленное изучение жидких металлических охлаждающих жидкостей, используемых в FBR, охватывающих их критерии отбора, эксплуатационные преимущества, инженерные проблемы, протоколы безопасности и траекторию текущих исследований.

Основная роль охладителей в реакторах быстрого разведения

В любом ядерном реакторе теплоноситель служит основным теплопередающим агентом, передавая тепловую энергию от топливных сборок парогенераторам или системам прямого преобразования энергии. В FBR теплоноситель также должен поддерживать спектр быстрых нейтронов. Вода из-за содержания водорода слишком эффективно замедляет нейтроны. Газообразные теплоносители, такие как гелий, предлагают приемлемую нейтронику, но страдают от низкой теплоемкости и требуют высокого давления. Жидкие металлы достигают оптимального баланса: они имеют высокую теплопроводность, высокие точки кипения, низкие поперечные сечения поглощения нейтронов и способность работать вблизи атмосферного давления. Эти характеристики позволяют компактные конструкции ядра, отличное удаление тепла как в нормальных, так и в аварийных условиях, а также высокие температуры, необходимые для эффективных термодинамических циклов.

Типы жидких металлических охладителей

В то время как несколько жидких металлов были изучены, три появились в качестве основных кандидатов для применения реакторов быстрого селекционирования: натрий, свинец и эвтектика свинца и висмута (LBE). Каждый из них имеет различные физические и химические свойства, которые влияют на проектирование реактора, безопасность и экономику.

натрий

Натрий является наиболее широко используемым жидким металлическим охлаждающим веществом в эксплуатационных FBR, включая французские Phénix и Superphénix, российские BN-600 и BN-800 и японский Monju. Натрий имеет температуру плавления 97,8 ° C и температуру кипения 883 ° C при атмосферном давлении, обеспечивая широкий диапазон жидкости. Его теплопроводность примерно 80-90 Вт / м · К - превосходно по сравнению с водой (~ 0,6 Вт / м · К) и даже расплавленными солями. Натрий также имеет очень низкое поперечное сечение поглощения нейтронов (0,53 амбара для тепловых нейтронов, еще ниже для быстрых нейтронов), что делает его очень прозрачным для потока нейтронов. Это позволяет высокие коэффициенты размножения и эффективное использование топлива.

Однако натрий энергично реагирует с водой и воздухом. Контакт с водой производит газообразный водород и гидроксид натрия, что может привести к коррозионным условиям и потенциальным взрывам. Контакт с воздухом приводит к быстрому окислению, образуя химически раздражающие аэрозоли натрия. Поэтому реакторы с натриевым охлаждением требуют инертных покрывающих газов (обычно аргон) и строгих систем обнаружения утечек. Кроме того, натрий становится высокорадиоактивным при воздействии потока нейтронов, в первую очередь через продукт активации натрия-22, что усложняет обслуживание и обращение с отходами. Несмотря на эти проблемы, обширный опыт эксплуатации сделал натрий зрелой эталонной охлаждающей жидкостью для FBR.

Lead and Lead-Bismuth Eutectic (Эвтектика свинца и свинца)

Свинец и свинец-висмут эвтектика (LBE) набирают новый интерес для передовых быстрых реакторов, в том числе конструкции поколения IV, такие как свинцовый быстрый реактор (LFR). Свинец имеет высокую температуру кипения (1749 ° C), отличные защитные свойства против гамма-излучения и низкую химическую реактивность с водой и воздухом. LBE (44,5% свинец, 55,5% висмут) имеет температуру плавления 123,5 ° C по сравнению с 327,5 ° C для чистого свинца, что облегчает сохранение расплавленного в операциях реактора. Как LBE, так и свинец имеют более низкую теплопроводность, чем натрий (LBE ~ 13 Вт / м · К, свинец ~ 35 Вт / м · К), но они предлагают превосходные характеристики безопасности, потому что они не реагируют бурно с водой или воздухом, снижая риск пожаров и взрывов.

Основным недостатком охлаждающих жидкостей на основе свинца является их высокая плотность (свинец ~ 11,3 г / см3, LBE ~ 10,5 г / см3), которая накладывает значительные структурные нагрузки на сосуды реактора и внутренние части. Это требует надежной сейсмической конструкции и тщательного управления нагрузками насоса. Кроме того, свинец и LBE являются коррозионными для стали при повышенных температурах, особенно если уровни кислорода не тщательно контролируются. Для смягчения коррозии инженеры поддерживают контролируемую концентрацию кислорода в охлаждающей жидкости для формирования защитного слоя оксида на конструкционных материалах. Активация висмута-209 в LBE производит полоний-210, высокотоксичный альфа-излучатель, создавая дополнительные требования к радиологической защите во время технического обслуживания и вывода из эксплуатации. Тем не менее, интегральные тесты безопасности показали, что охлаждающие жидкости на основе свинца очень прощают во время аварийных сценариев, с пассивным распадом теплоотвода возможности, которые натрий не может соответствовать без активных систем.

Другие жидкие металлические охладители

Исследования также исследовали натрий-калий (NaK), ртуть, галлий и даже жидкий литий. NaK (эвтектика натрия и калия) остается жидкой при комнатной температуре, что упрощает процедуры запуска и отключения, но сохраняет химическую реактивность натрия. Ртуть использовалась в ранних экспериментальных реакторах, но была заброшена из-за токсичности и плохой нейтроники. Галлий обладает отличными тепловыми свойствами, но очень дорог и атакует многие металлы. Литий имеет слишком высокое поперечное сечение поглощения нейтронов для применения в разведении. Таким образом, только натрий, свинец и LBE в настоящее время считаются жизнеспособными для коммерческих реакторов быстрого размножения.

Термо-гидравлические преимущества жидких металлических охладителей

Жидкие металлы превосходят в теплопередаче из-за их высокой теплопроводности и удельной теплоемкости по отношению к объему, который они занимают. В ядре реактора тепловой поток от топливных штифтов может превышать 1 МВт/м2; жидкие металлы могут удалять это тепло с умеренными температурными различиями между поверхностью топлива и объемом охлаждающей жидкости. Это уменьшает необходимую площадь теплопередачи и обеспечивает более высокую плотность энергии, меньшие объемы ядра и повышенное горение топлива. Поскольку жидкие металлы работают при почти атмосферном давлении, сосуды реактора могут быть построены из более тонких материалов с более простой геометрией, снижая затраты на строительство. Отсутствие высокого давления также минимизирует риск аварий с потерей охлаждающей жидкости (LOCA), которые доминируют в анализах безопасности в реакторах с водой под давлением.

Естественная циркуляция является еще одним значительным преимуществом. Жидкие металлы имеют большие коэффициенты теплового расширения, и их изменения плотности с температурой могут приводить к устойчивому естественному конвективному потоку даже при низких скоростях потока. В случае отказа насоса эта пассивная циркуляция может удалять тепло распада из ядра на неопределенный срок, при условии, что для нее предназначена геометрия реактора. Реакторы с натриевым охлаждением, такие как BN-800, оснащены как активными, так и пассивными системами удаления тепла распада, в то время как реакторы с свинцовым охлаждением могут достигать полностью пассивной безопасности - ключевая цель конструкций IV поколения.

Нейтроника и эффективность разведения

Выбор охлаждающей жидкости напрямую влияет на нейтронную экономику FBR. Идеальная охлаждающая жидкость должна иметь очень низкое поперечное сечение поглощения нейтронов для сохранения популяции нейтронов для размножения. Поперечное сечение поглощения натрия низкое, но не нулевое; паразитический захват в охлаждающей жидкости немного снижает прирост размножения. Свинец и LBE имеют еще более низкие поперечные сечения поглощения для быстрых нейтронов, поэтому они вводят почти нулевой нейтронный штраф. Кроме того, свинец и висмут имеют более высокие атомные массы, что означает, что они вызывают минимальную умеренность через столкновения рассеяния. Это сохраняет более жесткий нейтронный спектр, который полезен как для размножения, так и для трансмутации долгоживущих актиноидов из отработанного ядерного топлива.

На практике FBR с натриевым охлаждением продемонстрировали коэффициенты размножения 1,2 или выше, что означает, что они производят на 20% больше расщепляющегося материала, чем потребляют. По прогнозам, конструкции с свинцовым охлаждением с передовым оксидным или металлическим топливом достигают коэффициентов размножения, превышающих 1,3, а также могут потреблять существующий плутоний и незначительные актиниды. Эта двойная способность делает жидкие металлические охлаждающие жидкости необходимыми для закрытия ядерного топливного цикла и снижения объема и токсичности высокоуровневых отходов.

Вызовы и инженерные решения

Несмотря на свои преимущества, жидкостные металлические охлаждающие жидкости представляют собой уникальные инженерные проблемы, которые задержали широкое внедрение FBR. Эти проблемы охватывают совместимость материалов, контроль химии, приборы, техническое обслуживание и безопасность.

Совместимость материалов и коррозия

При температурах, типичных для работы FBR (400-600 °C), жидкие металлы могут растворяться или реагировать со структурными сплавами. Нержавеющие стали (например, 316, 316L и HT-9) обычно используются в охлаждающих жидкостях натрия, но они должны быть защищены от коррозии путем поддержания низкого уровня кислорода (<10 ppm) и избегая примесей. В свинце и LBE скорость коррозии резко возрастает с температурой и концентрацией кислорода; Для формирования защитного слоя шпинели железа-хрома (обычно 10-6-10-8 мас.%) требуется точный контроль кислорода (обычно 10-6-10-8 мас.%) для формирования защитного слоя железо-хромовой шпинели на стали. Разрабатываются расширенные покрытия, такие как глиноземные сплавы или керамические покрытия, для продления срока службы компонентов. Кроме того, отек, хрупкость и ползучесть от нейтронного излучения ускоряются в потоке быстрых нейтронов, поэтому облицовка топлива и основные структуры должны быть сделаны из специализированных радиационн

Химическая реактивность

Реакционная способность натрия с водой и воздухом требует обширных систем безопасности. Паровые генераторы в FBR с натриевым охлаждением должны быть спроектированы для предотвращения, обнаружения и смягчения реакций натриевой воды. Как правило, промежуточные петли натрия отделяют первичный натрий от паровой системы, с разрывным диском и клапанами для регулирования давления от генерации водорода. Системы обнаружения утечки с использованием водородных мониторов, датчиков температуры и акустических датчиков установлены повсюду. Для свинцовых охлаждающих веществ основной проблемой является не химическая реакция, а генерация полония-210 в LBE и возможность замерзания свинца, если температура опускается ниже точки плавления. Контроль кислорода и примесей в свинцовых петлях включает холодные ловушки, гетеры и непрерывную очистку.

Проектирование насосов и приборостроение

Жидкостные металлические насосы должны работать при высоких температурах и часто в присутствии сильных полей излучения. Электромагнитные (ЭМ) насосы предпочтительны для натрия и LBE, поскольку у них нет движущихся частей, снижающих износ и техническое обслуживание. ЭМ-насосы используют электрический ток и магнитное поле для индуцирования силы Лоренца непосредственно на охлаждающей жидкости. Однако они имеют более низкую эффективность, чем механические насосы, и требуют больших источников питания. Высокая плотность свинца делает ЭМ-накачку менее эффективной, поэтому используются механические центробежные насосы со специальными подшипниками и уплотнениями, иногда погруженные в охлаждающую жидкость. Измерение расхода, температуры и уровня должно быть надежным в суровых условиях. Ультразвуковые расходомеры, постоянные магнитные расходомеры и термопары являются обычным явлением, но калибровка и дрейф в рабочем состоянии остаются проблемами.

Обслуживание и инспекция

Поскольку охлаждающая жидкость становится высокорадиоактивной в реакторах с натриевым охлаждением, техническое обслуживание компонентов в сосудах требует сложного оборудования для удаленной обработки. Многие реакторы с натриевым охлаждением имели низкие коэффициенты доступности из-за трудностей с дозаправкой и ремонтом. Реакторы с свинцовым охлаждением с более низкой активацией охлаждающей жидкости (за исключением полония в LBE) могут обеспечить более легкий доступ, но непрозрачность и высокая плотность свинца усложняют визуальный осмотр. Ультразвуковые камеры и роботизированные сканеры для просмотра под натрием разрабатываются как для систем натрия, так и для свинцовых систем.

Стратегии безопасности и опыт регулирования

Безопасность быстрых реакторов с жидкостным металлическим охлаждением была тщательно исследована на протяжении десятилетий исследований и эксплуатации. Основные проблемы безопасности различаются по типу охлаждающей жидкости. Для натрия основной опасностью являются пожары натрия и потенциал положительной реактивности в пустоте охлаждающей жидкости - состояние, при котором кипение или потеря натрия увеличивает реактивность, возможно, приводя к экскурсиям по мощности. Это явление решается с помощью основных мер проектирования: сплющивание ядра, использование кольцевых топливных штифтов и введение натриевой пленки для снижения стоимости пустоты. Современные конструкции направлены на отрицательный коэффициент пустоты в целом, особенно в больших СФР.

Свинец и LBE также имеют положительные коэффициенты реактивности пустоты, но высокая точка кипения свинца (1749 ° C) делает вакуумирование охлаждающей жидкости маловероятным даже в тяжелых аварийных условиях. Основным риском для реакторов с свинцовым охлаждением является замораживание охлаждающей жидкости; резервные электрические нагреватели и тепло распада должны удерживать расплавленную охлаждающую жидкость во время отключения. Разрыв трубки парогенератора в системах с свинцовым охлаждением может вызвать реакцию воды / свинца, производящую водород, но реакция намного медленнее и менее энергична, чем реакция натрия-воды.

Международные кодексы безопасности для быстрых реакторов, такие как стандарты безопасности МАГАТЭ и руководящие принципы безопасности Международного форума по вопросам безопасности, подчеркивают глубину защиты, сдерживание и включение серьезных аварийных мер. Многие FBR включают устройства для улавливания ядер для удержания расплавленного топлива, если происходит расплав ядра, предотвращая критичность и содержащие продукты деления. Авария на Фукусиме также побудила вновь обратить внимание на способность жидких металлических охлаждающих жидкостей обеспечивать пассивное удаление тепла распада в течение длительных периодов без действий оператора.

Текущее и будущее развитие

Несколько стран активно разрабатывают реакторы с жидкостным металлическим охлаждением для краткосрочного развертывания. Россия продолжает эксплуатировать реакторы с натриевым охлаждением BN-600 и BN-800 и строит реакторы с натриевым охлаждением BN-1200M, стремясь к коммерческой конкурентоспособности. Индия эксплуатирует небольшой FBR с натриевым охлаждением (FBTR) и строит реактор с быстрым селекционным реактором с натриевым охлаждением мощностью 500 МВт (PFBR). Китай запустил испытательный реактор с натриевым охлаждением CEFR и планирует демонстрацию FBR в 2030-х годах.

Для свинца Россия запустила реактор с свинцовым охлаждением BREST-300 в Сибирском химическом комбинате, и проект Европейского союза MYRRHA (система с ускорителем на основе LBE) находится в разработке. В Соединенных Штатах есть несколько концепций SMR с свинцовым охлаждением, таких как LFR Westinghouse и проект Универсального испытательного реактора (VTR) DOE, первоначально считавшийся охлаждающей жидкостью LBE.

Текущие исследования сосредоточены на передовых видах топлива (металлические сплавы, нитрид, инертная матрица), улучшенных конструкционных материалах (Стали ODS, композиты SiC), улучшенных методах инспекции в процессе эксплуатации и разработке химических датчиков для непрерывного мониторинга примесей. Также существует интерес к соединению жидких металлических охлаждающих жидкостей со сверхкритическими циклами CO2 Brayton для достижения более высокой тепловой эффективности (>45%) по сравнению с паровым циклом Rankine, используемым в текущих FBR. Снижение капитальных затрат за счет модульного строительства и упрощенных систем безопасности остается ключевой целью для коммерциализации.

Потенциал жидких металлических охлаждающих жидкостей выходит за рамки производства электроэнергии. Они могут обеспечить высокотемпературное технологическое тепло для производства водорода, опреснения и промышленного применения. Их способность сжигать актиниды делает их ценными для управления отходами и устойчивости к распространению. Поскольку климатические цели требуют безуглеродной базовой нагрузки, реакторы быстрого размножения с жидкостным металлическим охлаждением представляют собой устойчивый путь, который полностью использует урановые ресурсы и минимизирует долгоживущие отходы.

Заключение

Жидкие металлические охлаждающие жидкости являются неотъемлемой частью эксплуатации и безопасности реакторов быстрого размножения. Натрий, свинец и эвтектика свинца предлагают различные преимущества и компромиссы с точки зрения тепловых характеристик, нейтроники, химической реактивности и совместимости материалов. Обширный опыт работы с натрием дал прочную основу технологии, в то время как системы на основе свинца обещают повышенную пассивную безопасность и упрощенную химию охлаждающей жидкости. Продолжение исследований материалов, приборов и оптимизации конструкции разрешает давние технические барьеры. С несколькими реакторами следующего поколения, которые сейчас строятся или находятся в продвинутой конструкции, жидкие металлические охлаждающие жидкости готовы обеспечить новую эру устойчивой ядерной энергии, которая улучшает использование топлива, уменьшает отходы и поддерживает глобальные усилия по декарбонизации.