Quel est le métal liquide
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).
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:
-
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
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
Par rapport aux liquides de refroidissement à base de métal liquide à base de sodium tels que le sodium liquide ou le NaK, les liquides de refroidissement à base de plomb ont des points d’ébullition nettement 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. De plus, 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.
- Réacteur rapide refroidi au sodium
- Réacteur rapide refroidi au plomb
L’un des principaux défis de la simulation numérique est la modélisation fiable du transfert de chaleur dans les réacteurs refroidis au métal liquide par Computational Fluid Dynamics (CFD). Les applications de transfert de chaleur avec des fluides à faible indice de Prandtl sont souvent dans la plage de transition entre les régimes dominés par la conduction et la convection.
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