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Was ist die Haupteigenschaft von flüssigen Metallen – Definition

Eigenschaften flüssiger Metalle. Flüssige Metalle, die in der Reaktortechnik verwendet werden, sind sehr schwache Absorber von Neutronen. Sie haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Wärmetechnik

Eigenschaften flüssiger Metalle

Eigenschaften flüssiger Metalle

In der Physik besteht flüssiges Metall aus einer Legierung mit sehr niedrigen Schmelzpunkten, die ein bei Raumtemperatur flüssiges Eutektikum bilden. In der Reaktortechnik sind Flüssigmetalle Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, die es ermöglichen, dass das Reaktorkühlmittel im Betriebstemperaturbereich (üblicherweise oberhalb der Raumtemperatur) flüssig ist.

thermisches vs. schnelles Reaktorneutronenspektrum
Das Spektrum der durch die Spaltung erzeugten Neutronenenergien variiert bei bestimmten Reaktordesigns erheblich. thermisches vs. schnelles Reaktorneutronenspektrum

Flüssige Metalle können als Reaktorkühlmittel verwendet werden, da sie hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen und in Niederdrucksystemen eingesetzt werden können, wie dies bei natriumgekühlten Schnellreaktoren der Fall ist . Das strukturelle Alleinstellungsmerkmal von Metallen ist das Vorhandensein von Ladungsträgern, insbesondere freien Elektronen, die für eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit sorgen . Die Verwendung von flüssigen Metallkühlmitteln ermöglichte eine hohe Wärmeübertragungsrate in Kraftwerken sowie die Temperaturen der Arbeitsflächen ihrer Konstruktionen nahe der Kühlmitteltemperatur.

Darüber hinaus sind Flüssigmetalle, die in der Reaktortechnik verwendet werden, sehr schwache Absorber für Neutronen, so dass Flüssigmetallreaktoren mit einem schnellen Neutronenspektrum arbeiten können. Ein Flüssigmetall-Schnellreaktor ist ein Reaktor mit hoher Leistungsdichte, der keinen Neutronenmoderator benötigt .

Die Hauptunterschiede zwischen thermischen und schnellen Reaktoren liegen natürlich in den Neutronenquerschnitten , die eine signifikante Energieabhängigkeit aufweisen . Es kann durch das Verhältnis von Abscheidung zu Spaltung charakterisiert werden , das in schnellen Reaktoren geringer ist . Es gibt auch einen Unterschied in der Anzahl der pro Spaltung erzeugten Neutronen , der in schnellen Reaktoren höher ist als in thermischen Reaktoren. Diese sehr wichtigen Unterschiede werden hauptsächlich durch Unterschiede in den Neutronenflüssen verursacht . Daher ist es sehr wichtig, die detaillierte Verteilung der Neutronenenergie in einem Reaktorkern zu kennen.

Der Nachteil vieler Flüssigmetalle ist auch ihre hohe chemische Aktivität bei der Wechselwirkung mit Sauerstoff, Wasser und Strukturmaterialien, die unter bestimmten Bedingungen eine Verschlechterung der Wärmeübertragung in der Anlage verursachen kann.

 

Natrium und NaK – Reaktorkühlmittel

Natriumgekühlte schnelle Reaktoren (SFRs) sind die am häufigsten verwendeten schnellen Reaktorkonstruktionen. Sie verwenden geschmolzenes Natrium oder eine eutektische Natrium-Kalium-Legierung (NaK) als Reaktorkühlmittel. Schmelz- und Siedepunkte von Natrium und NaK sind:

  • Natrium-Kalium-Legierungs-Eutektikum
    Quelle: wikipedia.org Lizenz: Public Domain

    Natrium

    • Schmelzpunkt – 97,72 ° C.
    • Siedepunkt – 883 ° C.
  • NaK – eutektische Mischung
    • Schmelzpunkt – (-12 ° C)
    • Siedepunkt – 785 ° C.
Natriumgekühlter schneller Reaktor (SFR).
Natriumgekühlter schneller Reaktor (SFR).
Quelle: wikipedia.org

NaK mit 40 bis 90 Gew .-% Kalium ist bei Raumtemperatur flüssig. Die eutektische Mischung besteht aus 77% Kalium und 23% Natrium. Natrium und NaK korrodieren Stahl nicht in nennenswertem Maße und sind mit vielen Kernbrennstoffen kompatibel, was eine große Auswahl an Strukturmaterialien ermöglicht. Da Natrium jedoch heftig mit Wasser reagiert, erfordern SFRs die Platzierung eines Zwischenwärmetauschers zwischen dem Reaktorkern und dem Dampferzeuger . Diese High-Tech-Technologie erfordert viel Erfahrung, daher haben nur wenige Länder ein eigenes schnelles Reaktordesign entwickelt.

Blei und Blei-Wismut-Eutektikum – Reaktorkühlmittel

Blei, Blei-Wismut-Eutektikum und andere Metalle wurden ebenfalls vorgeschlagen und gelegentlich verwendet. Der bleigekühlte schnelle Reaktor ist ein Kernreaktordesign mit einem schnellen Neutronenspektrum und geschmolzenem eutektischem Blei oder Blei-Wismut- Kühlmittel. Blei-Wismut-Eutektikum oder LBE ist eine eutektische Legierung aus Blei (44,5%) und Wismut (55,5%). Geschmolzenes Blei oder Blei-Wismut-Eutektikum kann als primäres Kühlmittel verwendet werden, da Blei und Wismut eine geringe Neutronenabsorption und relativ niedrige Schmelzpunkte aufweisen.

Die Schmelz- und Siedepunkte der eutektischen Mischung aus Blei und Blei-Wismut sind:

  • führen
    • Schmelzpunkt – 327,5 ° C.
    • Siedepunkt – 1749 ° C.
  • Blei-Wismut – eutektische Mischung
    • Schmelzpunkt – 123,5 ° C.
    • Siedepunkt – 1670 ° C.
Bleigekühlter schneller Reaktor (LFR)
Bleigekühlter schneller Reaktor (LFR).
Quelle: wikipedia.org

Im Vergleich zu flüssigen Metallkühlmitteln auf Natriumbasis wie flüssigem Natrium oder NaK weisen Kühlmittel auf Bleibasis signifikant höhere Siedepunkte auf, was bedeutet, dass ein Reaktor ohne das Risiko eines Siedens des Kühlmittels bei viel höheren Temperaturen betrieben werden kann. Blei und LBE reagieren im Gegensatz zu Natrium und NaK, die sich an der Luft spontan entzünden und explosionsartig mit Wasser reagieren, auch nicht leicht mit Wasser oder Luft. Blei und Wismut sind aufgrund ihrer Dichte und hohen Ordnungszahl auch ein ausgezeichneter Gammastrahlungsschutz und gleichzeitig für Neutronen praktisch transparent.

Andererseits sind Blei und LBE-Kühlmittel für Stahl ätzender als eutektische Natrium- oder NaK-Legierungen. Dies und die sehr hohe Bleidichte begrenzen aus Sicherheitsgründen die Geschwindigkeit des Kühlmittelflusses durch den Reaktor. Darüber hinaus können die höheren Schmelzpunkte von Blei und LBE (327 ° C bzw. 123,5 ° C) bedeuten, dass die Verfestigung des Kühlmittels ein größeres Problem darstellen kann, wenn der Reaktor bei niedrigeren Temperaturen betrieben wird.

Nusselt-Nummer für Flüssigmetallreaktoren

Ein flüssigmetallgekühlter Reaktor ist ein fortschrittlicher Kernreaktortyp, bei dem das primäre Kühlmittel ein flüssiges Metall ist.  Flüssige Metalle können als Kühlmittel verwendet werden, da sie hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen und in Niederdrucksystemen eingesetzt werden können, wie dies bei natriumgekühlten schnellen Reaktoren (SFRs) der Fall ist . Das einzigartige Merkmal von Metallen in Bezug auf ihre Struktur ist das Vorhandensein von Ladungsträgern, insbesondere freien Elektronen, die ihnen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit verleihen . Diese sehr hohe Wärmeleitfähigkeit zusammen mit niedriger Viskosität verursacht die typischen Wärmeübertragungskorrelationen (zB Dittus-Boelter)) kann nicht verwendet werden.

Für flüssige Metalle ist die Prandtl-Zahl sehr gering und liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,01 bis 0,001. Dies bedeutet, dass die Wärmeleitfähigkeit , die mit der Wärmeübertragungsrate durch Wärmeleitung zusammenhängt , eindeutig dominiert . Diese sehr hohe Wärmeleitfähigkeit resultiert aus einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit von Metallen, die etwa 100-mal höher ist als die von Wasser. Die Prandtl-Zahl für Natrium bei einer typischen Betriebstemperatur in den natriumgekühlten schnellen Reaktoren beträgt etwa 0,004. In diesem Fall ist die Entwicklung der thermischen Grenzschicht viel schneller als die der Geschwindigkeitsgrenzschicht (δ t) >> δ), und es ist vernünftig, eine gleichmäßige Geschwindigkeit in der gesamten thermischen Grenzschicht anzunehmen.Die Wärmeübergangskoeffizienten für den Natriumfluss durch den Kraftstoffkanal basieren auf der Prandtl-Zahl und der Péclet-Zahl . Pitch-to-Durchmesser (P / D) geht auch in viele Berechnungen der Wärmeübertragung in Flüssigmetallreaktoren ein. Konvektive Wärmeübertragungskorrelationen werden normalerweise in Form der Nusselt-Zahl gegenüber der Péclet-Zahl dargestellt . Die typische Péclet-Nummer für den normalen Betrieb liegt zwischen 150 und 300 in den Kraftstoffbündeln. Für andere Strömungsregime können die Nusselt-Zahl und eine gegebene Korrelation verwendet werden, um den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten zu bestimmen.

Graber-Rieger-Korrelation

Nusselt Nummer - Liquid Metal - Graber-Rieger

FFTF-Korrelation

Nusselt Nummer - Liquid Metal - FFTF

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.