液态金属冷却反应堆
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液态金属冷却反应堆（Liquid Metal Nuclear Reactor），又称液态金属快堆（Liquid Metal Fast Reactor, LMFR）是一种核反应堆进阶技术，使用液态金属作为基本冷却剂。液态金属冷却反应堆最先适用于核潜艇，但也广泛研究用于发电用途。
液态金属冷却剂移除热的速度较普通的水高，这让反应堆有更高的能量密度。这使得它们在尺寸和重量非常重要的情况下具有吸引力（如在船，潜艇）。液态金属冷却剂改善以水作为冷却剂的缺点，大部分反应堆以高压増加水的沸点，高压下存在安全性和维修等问题，而液态金属冷却反应堆没有这些问题。再者，LMFR的液态金属可产生比水冷反应堆温度高的蒸汽，所以有更高的热效率。这使得它们对于提高传统核电站的功率输出具有吸引力。
液态金属有着十分高的导电性，所以它们可由电磁泵来泵动。[1]它的缺点包括难以在不透明的液态金属中检查和维修，并且取决于金属的选择，火灾的危险风险上升(特别是碱金属)，腐蚀性和制造放射性物质等问题。
设计
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实际上，所有液态金属冷却反应堆都是快中子反应堆，迄今为止，大多数快中子反应堆都是液态金属冷却快中子增殖反应堆（Liquid Metal cooled Fast Breeder Reactors, LMFBRs）。液态金属是一种良好的导热体。和其他类型的反应堆相比，快中子反应堆往往会在细小的空间内产生大量的热。在任何反应堆中冷却剂都需要慢化中子吸收，但这对于中子快堆来说特别重要，因为中子快堆良好的中子经济性是其主要优势之一。因为慢中子较容易被吸收，所以冷却剂应拥有中子慢化的功能。避免冷却剂过度腐蚀核电站的建筑材料，确保它的熔点和沸点适合反应堆的运作温度也十分重要。
理想的冷却剂应保持不沸腾的状态，因为沸腾时佷大可能会导致冷却剂泄漏，而发生冷却剂流失事故。相反地，如果冷却剂保持在不沸腾的状态，冷却糸统的压力保持在正常的范围，这大大降低了事故发生的可能性。有些设计是把整个反应堆和热交换器浸没于冷却池中，几乎完全消除失去内循环冷却的风险。
冷却剂性质
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虽然理论上加压水可以用于中子快堆，但它往往会慢化中子并吸收它。这限制了可以流过反应堆堆芯的水量，基于中子快堆有很高的能量密度，大部分的快堆设计并不会使用水，而是液态金属冷却。水的沸点也远低于大多数要求冷却系统保持高压以有效冷却核心的金属。
| 冷却剂 | 熔点 | 沸点 |
|---|---|---|
| 钠 | 97.72 °C, (207.9 °F) | 883 °C, (1621 °F) |
| 钠钾合金(NaK) | −11 °C, (12 °F) | 785 °C, (1445 °F) |
| 汞(水银) | −38.83 °C, (−37.89 °F) | 356.73 °C (674.11 °F) |
| 铅 | 327.46 °C, (621.43 °F) | 1749 °C, (3180 °F) |
| 铅铋合金 | 123.5 °C, (254.3 °F) | 1670 °C, (3038 °F) |
| 锡 | 231.9 °C, (449.5 °F) | 2602 °C, (4716 °F) |
汞
[编辑]克莱门汀是第一台液态金属冷却反应堆，使用汞作为冷却剂，它在室温下是液体。但是它的缺点包括高毒性，在室温下有着高蒸气压，低沸点加热时产生有毒烟雾，相对较低的导热率[2]和高[3]中子截面等问题，所以它并不是现在常用的液态金属冷却剂。
钠和钠钾合金
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钠和钠钾合金不显著侵蚀钢并与许多种核燃料相容，可以有较多的建筑材料选择。但是，当它们接触空气和水时会发生化学反应，产生氢气，自发地燃烧，甚至爆炸。1995年文殊核电厂的事故和火灾就是这种情况。钠的中子活化也使液态金属在运行期间具有强烈的放射性，虽然它们的半衰期很短，因此它们的放射性不会引起额外的放射性废物处理问题。 钠冷却的第四代 钠冷快中子反应堆有两个提案，一种基于氧化混合燃料，另一个是基于金属燃料的进阶液态金属反应堆。
铅
[编辑]铅拥有出色的中子性质(反弹，低吸收)也是非常有力的γ射线屏障。高沸点的铅提供了安全等有利条件，如它可在高于正常运作温度数百度下仍能有效冷却反应堆。但是，由于铅的高熔点和高蒸汽压，补充和维修铅冷反应堆是有相当的难度。铅可以籍添加铋来降低它的熔点，但铅铋合金对大多数用于建筑的金属[4]有强腐蚀性。
锡
[编辑]虽然锡在今天并不作为反应堆的冷却剂，因为它会形成一层外壳，但它在核事故或冷却剂流失事故中，它可以是一种有效的添加剂或替代冷却剂。 锡有高沸点，可以在液态锡上形成外壳以覆盖有毒物质避免外泄，也能将冷却剂保持在核反应炉内等优点。锡会导致任何类型的反应炉无法正常运行。它已由乌克兰研究人员的测试，并被提议将福岛第一核电站事故中的反应堆的冷却剂由水更换为液态锡冷却剂。[5]
推进系统
[编辑]潜水艇
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苏联K-27核潜艇与所有705型核潜艇使用铅铋合金冷却的反应堆（K-27 中的VT-1反应堆；其他的 BM-40A 和 OK-550 反应堆）。苏联和美国海军早期都最先使用液态金属快堆动力装置建造原型攻击潜艇。 第二艘核潜艇，SSN-575是美国唯一使用钠冷反应堆的潜艇。它于 1957 年投入使用，但它的过热器有泄漏，被搁置了。为了统一整个舰队的反应堆标准，自1958年起，潜艇的钠冷反应堆开始被拆除，取而代之的是压水堆。
核动力飞机
[编辑]普惠公司研究了液态金属冷却反应堆，并将其用于核动力飞机，是飞机核动力推进计划的一部分。[6]
参见
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ Bonin, Bernhard; Klein, Etienne. Le nucléaire expliqué par des physiciens. 2012.
- ^ Bunker, Merle E. "Early Reactors From Fermi’s Water Boiler to Novel Power Prototypes" a chapter in Los Alamos Science - Winter/ Spring 1983 Edition Page 128. Published by Los Alamos National Laboratory and available here: http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00416628.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ 存档副本. [2022-02-05]. （原始内容存档于2022-05-16）.
- ^ 存档副本. [2022-02-05]. （原始内容存档于2013-05-17）.
- ^ Ukraine advises Japan to use tin to cool Fukushima reactor （页面存档备份，存于互联网档案馆） Kyivpost
- ^ The Decay of the Atomic Powered Aircraft Program. [2022-02-05]. （原始内容存档于2019-01-08）.
