Тема 1

жидких щелочных металлов. Тяжелые жидкометаллические теплоносители (ТЖМТ), свинец и сплавы

на его основе. Области применения. Реакторные установки с жидкометаллическими теплоносителями и направления их развития.

м. являются расплавы металлов, их сплавов, ряда интерметаллических соединений, полуметаллов и некоторых полупроводников. 
Большую

часть теплового потока в Ж. м. переносят электроны, а решёточная (фононная) теплопроводность мала. Количеств. оценка электро- и теплопроводности ж. м. затруднена, т. к. теория кинетич. электронных процессов в жидкостях имеет качеств. характер и ещё не завершена.
Существуют элементы, которые приобретают свойства металлов только в жидком состоянии, например кремний и германий (полупроводники). Более 70 элементов классифицированы как металлы. В жидком металле, как в любой жидкости среднее расстояние между атомами составляет 2-3 ангстрема (0,1 нм), средняя скорость движения атомов около 1 км/с.
Жидкие металлы подчиняются тем же гидродинамическим закономерностям, что и другие нереологические жидкости, например, вода.

ЖМТ – это высокотемпературные теплоносители ( для сравнения: газы, соли, органика, вода).
В ядерной энергетике преимущественно используются жидкие щелочные металлы (ЩМ) и тяжелые жидкометаллические теплоносители (ТЖМТ) на основе свинца.
Na – БН
Na-K – ЯЭУ космического назначения
Li – термоядерные установки и космического назначения
Pb – БРЕСТ
Pb-Bi – СВБР

прессования
охлаждение оборудования металлургического производства
мощные прокатные станы и др. ВТУ
Ga и

сплавы Ga-In применяются в качестве вакуумных затворов при получении высокого вакуума.

Имеются работы по коррозии конструкционных материалов и в ряде других жидких металлов: алюминии, олове, индии, галлии, теллуре и его сплавах с висмутом, цезии и его сплавах с теллуром.
Работы по жидкометаллическим тепловым трубам расширяют этот список за счёт таких экзотических теплоносителей, как серебро и золото, а также меди, галлия, германия.
Наиболее дешёвым из жидких металлов является натрий, затем свинец и калий. Поскольку объём теплопередающей системы обычно относительно невелик, а перезарядка производится редко, затраты на теплоноситель незначительны.

следующими свойствами:
термической стабильностью;
устойчивостью к облучению;
малым сечением захвата

нейтронов;
нетоксичностью;
малой наведённой активностью;
чистотой и малой агрессивностью;
низкой вязкостью;
высокой теплопроводностью и теплоемкостью;
совместимостью с топливными и конструкционными материалами;
удобством и безопасностью в обращении;
доступностью и экономичностью производства;
на его прокачку должно затрачиваться минимум энергии.

и теплоемкость
низкая коррозионная активность к используемым КМ

Жидкие металлы имеют малую

упругость паро́в. Давление в системе определяется только потерей напора в контуре, которое обычно меньше 7 атм. Низкое давление существенно упрощает конструкцию и эксплуатацию как реактора, так и вспомогательного оборудования станции.
Высокая температура кипения жидких металлов обеспечивает большую гибкость в работе. Допустимые тепловые потоки практически не ограничены критическими тепловыми нагрузками. Реактор с натриевым контуром имеет тепловые потоки до 2,3·Е6 ккал/м²·ч и удельную объёмную напряжённость 1000 кВт/л.
Высокая электропроводность жидких щелочных металлов позволяет полностью использовать герметизированные электронасосы (постоянного и переменного тока). По расходу энергии на прокачивание жидкие металлы лишь немногим уступают воде. Из жидких металлов лучшие характеристики по расходу энергии на прокачивание имеют щелочные металлы. Если, например, расход энергии на прокачивание жидкого натрия принять за единицу, то для ртути это будет 2,8, а для висмута 4,8.
В отличие от других жидких металлов, Na и Na—K оказывают малое коррозионное и эрозионное воздействие на конструкционные материалы. Для натрия и эвтектики Na—K можно применять многие из обычных материалов.

Основные свойства жидкометаллических теплоносителей, достоинства и недостатки

с водой. Поэтому в системах с пароводяными циклами должны быть

предусмотрены устройства, обеспечивающие взрывобезопасность.
Натрий и Na—K являются пожароопасными теплоносителями.
Необходимо избегать окисления металла, соприкосновение его с воздухом должно быть исключено, так как окись Na нерастворима в жидком Na и Na—K, а включение окислов может привести к закупорке отдельных каналов. Наличие в жидком Na и Na—K окислов натрия ухудшает также коррозионные свойства теплоносителей.
Активация теплоносителя приводит к необходимости устраивать для наружной части контура теплопередающей системы биологическую защиту. Решение этой проблемы усложняется при γ-излучении высокой энергии. Изотопы Na и К имеют малые периоды распада, но при загрязнении металла активными примесями с большим периодом распада задача защиты от активности усложняется, и требуется создание такой конструкции, которая позволяла бы выводить весь жидкий металл из системы при ее ремонте. Это вынуждает предъявлять повышенные требования к химической чистоте жидких металлов.
Свинец является токсичным веществом. Теплоносители на его основе в определенных условиях обладают высокой коррозионной активностью. При попадании значительного количества кислорода в свинец происходит закупорка проходных сечений каналов.
Дополнительные устройства, применение которых необходимо в связи с использованием жидкометаллических теплоносителей, значительно усложняют технологическую схему ядерно-энергетической установки. Такими дополнительными устройствами являются:
установка для плавления и передавливания жидкого металла в контур (для Na—K-эвтектики плавильный бак не требуется);
устройство для удаления окислов. Через это устройство, включенное параллельно основному контуру, устанавливается небольшой расход жидкого металла; таким образом, осуществляется непрерывная очистка теплоносителя от окислов;
контурные нагреватели.

Основные свойства жидкометаллических теплоносителей, достоинства и недостатки.

материалов,
Безопасности,
Экологичности,
Экономичности.

высокотемпературными жидкометаллическими теплоносителями щёлочные металлы: натрий, литий, натрий-калиевые сплавы. Эти

теплоносители можно применять до температур 800 – 1200 С. Как физические, так и химические свойства щёлочных жидкометаллических теплоносителей довольно хорошо изучены. По отношению к конструкционным материалам жидкие щёлочные металлы характеризуются умеренной коррозионной агрессивностью, которая в значительной степени связана с малой растворимостью конструкционных материалов в щёлочных металлах. В то же время щёлочные металлы обладают очень высокой химической активностью при взаимодействии с водой, паром, кислородом и некоторыми другими веществами.
Калий и натрий заметно отличаются по цвету. Первый имеет сине-фиолетовый оттенок, второй желтоватый. 
Сплав натрия и калия, который содержит 40-90% калия (по массе), при комнатной температуре представляет собой серебристо-белую жидкость. Химическая активность подобных сплавов очень велика, на открытом воздухе они мгновенно окисляются, теряя свой блеск, самовоспламеняются при контакте с влажными поверхностями или при растирании на горючих материалах (вроде бумаги), при реакции с водой выделяющийся водород воспламеняется.  В системе натрий - калий при температуре минус 12.5°С наблюдается эвтектическая точка, которая соответствует содержанию калия 77.2% (по массе). В системе натрий - калий также установлено существование соединения Na2K плавящегося при 7°С.
Сплавы щелочных металлов также способны к образованию легкоплавких эвтектик и могут быть отнесены к группе легкоплавких сплавов. Так сплавы системы натрий-калий-цезий имеют рекордно низкую температуру плавления: Советский сплав плавится при −78 °C. Однако, применение этих сплавов затруднено из-за их высокой химической активности.

раздавлены)
Сплав Na-K под слоем масла
Технологические особенности жидких щелочных металлов

энергетических ядерных реакторов и других целей являются перспективными такие высокотемпературные

жидкометаллические теплоносители, как свинец, висмут и их эвтектический сплав (56,5 % Bi; 43,5 % Pb). Свинец, висмут и их сплавы относятся к тяжелым жидеометаллическим теплоносителям. В смысле коррозионно-эрозионного воздействия на конструкционные материалы они значительно агрессивнее, чем щёлочные металлы (натрий, калий и др.). Но применение этих жидких металлов во многих случаях оправдывается тем, что они обладают, помимо общих для всех жидких металлов преимуществ, большой инертностью к воде и водным средам.
Свинец обладает хорошими ядерно-физическими свойствами, имеет малое сечение захвата нейтронов, что позволяет применять его в качестве теплоносителя в реакторах, работающих на промежуточ­ных и быстрых нейтронах. Свинец слабо активируется в реакторных условиях, взрывобезопасен. Давление паров его мало, температура кипения высока (~17500С), что позволяет иметь низкое давление в I контуре реактора. Свинец сравнительно дешев и его можно производить в больших количествах.

оксида —оксид свинца(II) PbO и оксид свинца(IV) PbO2 — и один смешанный Pb3O4 (свинцовый сурик), фактически

являющийся плюмбатом(IV) свинца(II) Pb2PbO4.

Свинец

24 % (ат.) Bi при температуре перитектики 184 °С,
15

% при температуре 50 °С.
Фаза ε образуется по перитектической реакции Ж + Рb↔ ε при температуре 184 °С и эвтектоидно распадается на (Bi) + (Рb) при температуре —46 °С. Между ε-фазой и (Bi) кристаллизуется эвтектика при температуре 125 °С и содержании -56 % (ат.) Bi.



Диаграмма состояния системы висмут-свинец (Bi-Pb)

процессов, протекающих в I-ом контуре ЯЭУ, является количество кислорода в

свинцовом теплоносителе. Избыток его приводит к образованию шлаков на основе PbO и нарушению тепловых и гидравлических характеристик I-го контура. Недостаток – к диссоциации защитных оксидных покрытий на конструкционных материалах и развитию коррозионных процессов. Поэтому для успешной эксплуатации ЯЭУ с точки зрения технологии теплоносителя необходимо:
ограничить контакт теплоносителя и контура с кислородосодержащими средами, в частности, с воздухом;
проводить очистку теплоносителя и контура от избыточного количества кислорода в случае осуществления такого контакта;
регулировать качество теплоносителя, т.е. поддерживать оптимальное количество примесей (кислорода, оксидных композиций на основе конструкционных материалов).
Для предотвращения вышеуказанных нарушений (образование шлаков на основе PbO, нарушение герметичности контура вследствие коррозии) применяются следующие средства поддержания качества (методы технологии) теплоносителя и защитного газа, направленные на очистку теплоносителя и контура, а также на регулирование качества теплоносителя по содержанию растворенного кислорода:
диспергатор газа, используемый для проведения водородной очистки теплоносителя от шлаков на основе PbO;
массообменный аппарат, используемый для регулирования растворенного кислорода при помощи твердофазного окислителя;
датчик активности кислорода, применяемый для контроля содержания растворенного кислорода в свинцовом теплоносителе;
фильтр очистки свинцового теплоносителя от твердых примесей;
датчики контроля водорода и кислорода в газе;
газовый фильтр;
дожигатель водорода, увлажнитель газа, конденсатор.

Тяжелые жидкометаллические теплоносители (ТЖМТ), свинец и сплавы на его основе

конкурентное преимущество
в использовании атомной энергии
Энрико Ферми
Первым в мире реактором

на быстрых нейтронах стала Клементина – опытный реактор мощностью 25 кВт с охлаждением ртутью, построенный на площадке в Лос-Аламосе (1949 г).

столетия выдающиеся физики Э. Ферми и А.И. Лейпунский обосновали возможность

создания ядерных реакторов на быстрых нейтронах, обладающих расширенным воспроизводством ядерного топлива.

в ФЭИ реактор нулевой мощности на быстрых нейтронах. На этом

реакторе, введенном в эксплуатацию в 1955 г., проводились многочисленные исследования по физике реакторов на быстрых нейтронах, а также исследования по ядерной физике.

В 1956 году был создан реактор БР-2 мощностью 100 кВт на ртутном теплоносителе.

кВт с жидким натрием в качестве теплоносителя был сдан в

эксплуатацию в январе
1959 г.
На реакторе БР-5, работающем с 1959 г., получены первые принципиальные данные по физике, технологии радиоактивного натрия, работоспособности твэлов и др., необходимые для разработки энергетических быстрых реакторов с натриевым охлаждением.
С 1973 г. после модернизации мощность реактора увеличена до 8 МВт, и он получил название БР-10.
 
6 декабря 2002 г. в 10 часов 20 минут реактор БР-10 после 43-х лет безаварийной работы был остановлен.

топлива, тепловыделяющих сборок и новых активных зон, для испытаний моделей

парогенераторов, для освоения новых технологий.

широкого спектра исследовательских и экспериментальных работ.
Для этого в активной зоне

и боковом экране реактора предусмотрены автономные петлевые каналы и большое число экспериментальных и материаловедческих сборок.

реактор.
Дал большой опыт промышленного масштаба и, что не менее важно,

явился экспериментальной базой для крупномасштабного освоения технологии натрия, физических исследований и испытаний топливных сборок, других элементов активной зоны, оборудования.

теплоносителем, пущенный в эксплуатацию в апреле 1980 года в качестве

3-го энергоблока на Белоярской АЭС в Свердловской области близ города Заречный.

2016 года старейший американский журнал по энергетике «POWER» присудил четвёртому

энергоблоку Белоярской АЭС с реактором БН-800 премию «Power Awards» за 2016 год в номинации «Лучшие станции».

Белоярской атомной станции.
БН-1200 реактор 4-го поколения.

БН-1200 является результатом эволюционного

развития РУ с натриевым теплоносителем.

В начальный период освоения свинцово-висмутового теплоносителя были выявлены две основные

проблемы его использования.
Это проблема жидкометаллической коррозии сталей и проблема шлакования трактов циркуляции теплоносителя.
Первоначально доминировала проблема шлакования контуров, а после разработки соответствующих методов их очистки и в целом повышения культуры обращения с теплоносителем на первый план выдвинулись проблемы обеспечения коррозионной стойкости сталей.

К моменту ввода в строй первых АПЛ проектов 705 и 705К обе эти проблемы были в основном решены. К этому же времени был достигнут и определённый уровень понимания протекающих в первом контуре физико-химических процессов

физхимии ТЖМТ
Принципиально новым фактором являются заявленные существенные ресурсы работы

новых установок, которые на порядок и больше превышают ресурсы работы своих ближайших прототипов.
Следствием таких повышенных ресурсов является усиление роли долговременных массообменных процессов, протекающих в первом контуре.
Применительно к обоснованию таких длительных ресурсов появились специфические трудности временнóго характера:
- существенно ограничены возможности обоснования режимов путем прямых ресурсных испытаний;
- могут проявиться дополнительные эффекты;

Способы преодоления данных трудностей:

- углубленное изучение реальных процессов, для повышения надежности долговременных прогнозов;
- выявление оптимальных условий эксплуатации РУ;
- разработка соответствующих адекватных моделей и расчетных методик;
- их подтверждение стендовыми испытаниями;
- разработка на этой основе рекомендаций и прогнозов на длительный период.

важно правильно использовать понятия:
Растворы
Характеристические функции
Равновесные, неравновесные и

стационарные системы
Закон действующих масс, константа равновесия
Кинетика реакций

соединений, а также изоконцентрациям ([C]=% мас.) железа и кислорода
Активность

кислорода в свинце, соответствующая равновесному состоянию оксидных соединений, а также изоконцентрациям железа и кислорода.

3, 5, 7, 9, 11 – линии изоконцентрации железа в свинце;
4, 6, 8, 10, 12 – линии изоконцентрации кислорода в свинце.