Was ist Flüssigmetall – Definition

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

  • Schmelzpunkt – 97,72 ° C.
  • Siedepunkt – 883 ° C.
• NaK – eutektische Mischung
  • Schmelzpunkt – (-12 ° C)
  • Siedepunkt – 785 ° C.

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.

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.

Graber-Rieger-Korrelation

FFTF-Korrelation

• Natriumgekühlter schneller Reaktor
• Bleigekühlter schneller Reaktor

Eine der Hauptherausforderungen in der numerischen Simulation ist die zuverlässige Modellierung der Wärmeübertragung in flüssigmetallgekühlten Reaktoren durch Computational Fluid Dynamics (CFD). Wärmeübertragungsanwendungen mit Flüssigkeiten mit niedriger Prandtl-Zahl liegen häufig im Übergangsbereich zwischen leitungs- und konvektionsdominierten Bereichen.