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Quelle est la propriété principale des métaux liquides – Définition

Propriétés des métaux liquides. Les métaux liquides utilisés dans la construction des réacteurs absorbent très peu les neutrons. Ils ont une conductivité thermique élevée et une conductivité électrique élevée. Génie thermique

Propriétés des métaux liquides

Propriétés des métaux liquides

En physique, le métal liquide est constitué d’un alliage à très bas point de fusion qui forme un eutectique liquide à température ambiante. En génie des réacteurs, les métaux liquides sont des alliages à bas point de fusion, ce qui permet au liquide de refroidissement du réacteur d’être liquide dans une plage de températures de fonctionnement (généralement supérieure à la température ambiante).

spectre de neutrons thermique et réacteurs rapides
Le spectre des énergies de neutrons produites par la fission varie considérablement selon la conception de certains réacteurs. spectre de neutrons thermique et réacteurs rapides

Les métaux liquides peuvent être utilisés comme réfrigérants dans les réacteurs car ils possèdent d’excellentes propriétés de transfert de chaleur et peuvent être utilisés dans des systèmes à basse pression, comme c’est le cas dans les réacteurs rapides refroidis au sodium (SFR). La caractéristique unique des métaux dans la mesure où leur structure concerne la présence de porteurs de charge, en particulier les électrons libres, en leur donnant une conductivité électrique élevée , haute conductivité thermique . L’utilisation de liquides de refroidissement à base de métal liquide a permis d’assurer un taux élevé de transfert de chaleur dans les centrales ainsi que les températures des surfaces de travail de leurs constructions proches de la température du liquide de refroidissement.

De plus, les métaux liquides utilisés en génie des réacteurs absorbent très peu les neutrons, ce qui permet aux réacteurs à métaux liquides de fonctionner avec un spectre de neutrons rapides. Un réacteur rapide à métal liquide est un réacteur à haute densité de puissance qui ne nécessite pas de modérateur de neutrons .

Les principales différences entre les réacteurs thermiques et les réacteurs rapides résident bien entendu dans les sections efficaces neutroniques , qui présentent une dépendance énergétique importante . Il peut se caractériser par rapport capture à la fission , ce qui est plus faible dans les réacteurs rapides . Il existe également une différence dans le nombre de neutrons produits par fission , qui est plus élevée dans les réacteurs rapides que dans les réacteurs thermiques. Ces différences très importantes sont principalement dues aux différences de flux neutroniques . Il est donc très important de connaître la répartition détaillée de l’énergie neutronique dans le cœur d’un réacteur.

L’inconvénient de nombreux métaux liquides est également leur activité chimique élevée au niveau de l’interaction avec l’oxygène, l’eau et les matériaux de structure, ce qui peut entraîner une détérioration du transfert de chaleur dans l’installation dans certaines conditions.

 

Sodium et NaK – Liquide de refroidissement pour réacteur

Les réacteurs rapides refroidis au sodium (SFR) sont la conception de réacteur rapide la plus courante. Ils utilisent du sodium fondu ou un alliage eutectique sodium-potassium (NaK) comme fluide de refroidissement du réacteur. Les points de fusion et d’ébullition du sodium et du NaK sont:

  • alliage sodium-potassium-eutectique
    Source: wikipedia.org Licence: domaine public

    sodium

    • point de fusion – 97,72 ° C
    • point d’ébullition – 883 ° C
  • NaK – mélange eutectique
    • point de fusion – (-12 ° C)
    • point d’ébullition – 785 ° C
Réacteur rapide refroidi au sodium (SFR).
Réacteur rapide refroidi au sodium (SFR).
Source: wikipedia.org

Le NaK contenant 40% à 90% de potassium en poids est liquide à température ambiante. Le mélange eutectique est composé de 77% de potassium et 23% de sodium. Le sodium et le NaK ne corrodent pas l’acier de manière significative et sont compatibles avec de nombreux combustibles nucléaires, ce qui permet un large choix de matériaux de structure. Cependant, comme le sodium réagit violemment avec l’eau, les SFR nécessitent le placement d’un échangeur de chaleur intermédiaire entre le cœur du réacteur et le générateur de vapeur . Cette technologie de pointe nécessite beaucoup d’expérience, par conséquent, seuls quelques pays ont développé leur propre conception de réacteur rapide.

Eutectique plomb et plomb-bismuth – Liquide de refroidissement pour réacteur

Le plomb, l’eutectique plomb-bismuth et d’autres métaux ont également été proposés et utilisés à l’occasion. Le réacteur rapide refroidi au plomb est une conception de réacteur nucléaire qui présente un spectre de neutrons rapide et un liquide de refroidissement eutectique au plomb fondu ou au plomb-bismuth . Le plomb-bismuth eutectique ou LBE est un alliage eutectique de plomb (44,5%) et de bismuth (55,5%). Le plomb fondu ou l’eutectique plomb-bismuth peut être utilisé comme fluide de refroidissement primaire car le plomb et le bismuth ont une faible absorption de neutrons et des points de fusion relativement bas.

Les points de fusion et d’ébullition du plomb et du mélange eutectique plomb-bismuth sont:

  • conduire
    • point de fusion – 327,5 ° C
    • point d’ébullition – 1749 ° C
  • plomb-bismuth – mélange eutectique
    • point de fusion – 123,5 ° C
    • point d’ébullition – 1670 ° C
Réacteur rapide refroidi au plomb (LFR)
Réacteur rapide refroidi au plomb (LFR).
Source: wikipedia.org

Par rapport aux réfrigérants métalliques liquides à base de sodium tels que le sodium liquide ou le NaK, les réfrigérants à base de plomb ont des points d’ébullition considérablement plus élevés, ce qui signifie qu’un réacteur peut fonctionner sans risque d’ébullition du liquide de refroidissement à des températures beaucoup plus élevées. Le plomb et le LBE ne réagissent pas non plus facilement avec l’eau ou l’air, contrairement au sodium et au NaK qui s’enflamment spontanément dans l’air et réagissent de manière explosive avec l’eau. En raison de sa densité et de son nombre atomique élevé, le plomb et le bismuth sont également un excellent bouclier de rayonnement gamma , tout en étant pratiquement transparent aux neutrons.

En revanche, le plomb et le liquide de refroidissement LBE sont plus corrosifs pour l’acier que le sodium ou l’alliage eutectique NaK. Ceci et la très haute densité de plomb imposent une limite supérieure à la vitesse d’écoulement du liquide de refroidissement à travers le réacteur pour des raisons de sécurité. En outre, les points de fusion plus élevés du plomb et du LBE (327 ° C et 123,5 ° C respectivement) peuvent signifier que la solidification du liquide de refroidissement peut être un problème plus important lorsque le réacteur fonctionne à des températures plus basses.

Nombre de Nusselt pour les réacteurs à métal liquide

Un réacteur refroidi par métal liquide est un type avancé de réacteur nucléaire où le réfrigérant primaire est un métal liquide.  Les métaux liquides peuvent être utilisés comme réfrigérants car ils ont d’excellentes propriétés de transfert de chaleur et peuvent être employés dans des systèmes à basse pression comme c’est le cas des réacteurs rapides refroidis au sodium (SFR). La caractéristique unique des métaux en ce qui concerne leur structure est la présence de porteurs de charge, en particulier des électrons libres, leur conférant une conductivité électrique élevée , une conductivité thermique élevée . Cette conductivité thermique très élevée associée à une faible viscosité provoque des corrélations de transfert de chaleur typiques (par exemple Dittus-Boelter) Ne peut pas être utilisé.

 

Pour les métaux liquides, le nombre de Prandtl est très faible, généralement compris entre 0,01 et 0,001. Cela signifie que la diffusivité thermique , qui est liée au taux de transfert de chaleur par conduction , domine sans ambiguïté . Cette très grande diffusivité thermique résulte d’une très forte conductivité thermique des métaux, qui est environ 100 fois supérieure à celle de l’eau. Le nombre de Prandtl pour le sodium à une température de fonctionnement typique dans les réacteurs rapides refroidis au sodium est d’environ 0,004. Dans ce cas, le développement de la couche limite thermique est beaucoup plus rapide que celui de la couche limite de vitesse (δ t >> δ), et il est raisonnable de supposer une vitesse uniforme dans toute la couche limite thermique.Les coefficients de transfert de chaleur pour le débit de sodium à travers le canal de carburant sont basés sur le nombre de Prandtl et le nombre de Péclet . Le pas au diamètre (P / D) entre également dans de nombreux calculs de transfert de chaleur dans les réacteurs à métal liquide. Les corrélations de transfert de chaleur par convection sont généralement présentées en termes de nombre de Nusselt par rapport au nombre de Péclet . Le nombre typique de Péclet pour un fonctionnement normal est de 150 à 300 dans les grappes de combustible. Comme pour d’autres régimes d’écoulement, le nombre de Nusselt et une corrélation donnée peuvent être utilisés pour déterminer le coefficient de transfert de chaleur par convection.

Corrélation Graber-Rieger

Numéro Nusselt - Métal liquide - Graber-Rieger

Corrélation FFTF

Numéro Nusselt - Métal liquide - FFTF

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: translations@nuclear-power.com ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci