O que é a principal propriedade dos metais líquidos – Definição

Propriedades dos metais líquidos

Propriedades dos metais líquidos

Na física, o metal líquido consiste em ligas com pontos de fusão muito baixos, que formam um líquido eutético à temperatura ambiente. Na engenharia de reatores, metais líquidos são ligas com baixo ponto de fusão, permitindo que o líquido de arrefecimento do reator seja líquido na faixa operacional de temperaturas (geralmente acima da temperatura ambiente).

Os metais líquidos podem ser usados ​​como fluido de refrigeração do reator, porque possuem excelentes propriedades de transferência de calor e podem ser empregados em sistemas de baixa pressão, como é o caso dos reatores rápidos resfriados a sódio (SFRs). A característica única dos metais no que diz respeito à sua estrutura é a presença de portadores de carga, elétrons especificamente livres, proporcionando alta condutividade elétrica e alta condutividade térmica . O uso de refrigerantes de metal líquido tornou possível proporcionar alta taxa de transferência de calor em usinas de energia, bem como as temperaturas das superfícies de trabalho de suas construções próximas à temperatura do refrigerante.

Além disso, os metais líquidos usados ​​na engenharia de reatores são absorvedores muito fracos de nêutrons, permitindo que os reatores de metais líquidos operem com espectro rápido de nêutrons. Um reator rápido de metal líquido é um reator de alta densidade de potência, que não precisa de moderador de nêutrons .

As principais diferenças entre reatores térmicos e rápidos são, obviamente, em seções de nêutrons , que exibem dependência energética significativa . Pode ser caracterizada pela razão de captura / fissão , que é menor nos reatores rápidos . Há também uma diferença no número de nêutrons produzidos por uma fissão , que é maior nos reatores rápidos do que nos reatores térmicos. Essas diferenças muito importantes são causadas principalmente por diferenças nos fluxos de nêutrons . Portanto, é muito importante conhecer a distribuição detalhada de energia de nêutrons no núcleo de um reator.

A desvantagem de muitos metais líquidos também é sua alta atividade química na interação com oxigênio, água e materiais estruturais, que podem causar deterioração da transferência de calor na planta sob certas condições.

Sódio e NaK – Líquido refrigerante do reator

Reatores rápidos resfriados a sódio (SFRs) são o projeto de reator rápido mais comum. Eles usam sódio fundido ou uma liga eutética de sódio e potássio (NaK) como fluido de refrigeração do reator. Os pontos de fusão e ebulição do sódio e NaK são:

• 

  sódio

  • ponto de fusão – 97,72 ° C
  • ponto de ebulição – 883 ° C
• NaK – mistura eutética
  • ponto de fusão – (-12 ° C)
  • ponto de ebulição – 785 ° C

NaK contendo 40% a 90% de potássio em peso é líquido à temperatura ambiente. A mistura eutética consiste em 77% de potássio e 23% de sódio. O sódio e o NaK não corroem o aço em grau significativo e são compatíveis com muitos combustíveis nucleares, permitindo uma ampla variedade de materiais estruturais. Como o sódio reage violentamente com a água, no entanto, os SFRs exigem a colocação de um trocador de calor intermediário entre o núcleo do reator e o gerador de vapor . Essa tecnologia de alta tecnologia requer muita experiência; portanto, poucos países desenvolveram seu próprio projeto de reator rápido.

Eutético de chumbo e bismuto-chumbo – Líquido refrigerante do reator

O chumbo, o eutético do chumbo-bismuto e outros metais também foram propostos e utilizados ocasionalmente. O reator rápido resfriado a chumbo é um projeto de reator nuclear que apresenta um espectro rápido de nêutrons e líquido de refrigeração eutético de chumbo derretido ou bismuto . Eutético de chumbo-bismuto ou LBE é uma liga eutética de chumbo (44,5%) e bismuto (55,5%). O chumbo derretido ou eutético de chumbo-bismuto pode ser usado como refrigerante primário, porque chumbo e bismuto têm baixa absorção de nêutrons e pontos de fusão relativamente baixos.

Os pontos de fusão e ebulição da mistura eutética de chumbo e bismuto são:

• conduzir
  • ponto de fusão – 327,5 ° C
  • ponto de ebulição – 1749 ° C
• bismuto chumbo – mistura eutética
  • ponto de fusão – 123,5 ° C
  • ponto de ebulição – 1670 ° C

Em comparação com os refrigerantes de metal líquido à base de sódio, como sódio líquido ou NaK, os refrigerantes à base de chumbo têm pontos de ebulição significativamente mais altos, o que significa que um reator pode ser operado sem risco de ebulição do refrigerante a temperaturas muito mais altas. O chumbo e o LBE também não reagem prontamente com água ou ar, ao contrário do sódio e NaK, que inflamam espontaneamente no ar e reagem explosivamente com a água. Devido à sua densidade e alto número atômico, o chumbo e o bismuto também são um excelente escudo contra radiação gama , ao mesmo tempo em que são virtualmente transparentes aos nêutrons.

Por outro lado, o chumbo e o líquido de arrefecimento LBE são mais corrosivos para o aço que o sódio ou a liga eutética NaK. Isso e a densidade muito alta de chumbo impõem um limite superior à velocidade do fluxo de refrigerante através do reator devido a considerações de segurança. Além disso, os pontos de fusão mais altos de chumbo e LBE (327 ° C e 123,5 ° C, respectivamente) podem significar que a solidificação do refrigerante pode ser um problema maior quando o reator é operado a temperaturas mais baixas.

Número de Nusselt para reatores de metais líquidos

Um reator refrigerado a metal líquido é um tipo avançado de reator nuclear, onde o refrigerante primário é um metal líquido.  Os metais líquidos podem ser usados ​​como refrigerante, pois possuem excelentes propriedades de transferência de calor e podem ser empregados em sistemas de baixa pressão, como é o caso dos reatores rápidos resfriados a sódio (SFRs). A característica única dos metais no que diz respeito à sua estrutura é a presença de portadores de carga, elétrons especificamente livres, proporcionando alta condutividade elétrica e alta condutividade térmica . Essa condutividade térmica muito alta, juntamente com causas de baixa viscosidade, correlações típicas de transferência de calor (por exemplo, Dittus-Boelter) não pode ser usado.

Correlação Graber-Rieger

Correlação FFTF