Эвтектика свинца-висмута или LBE — эвтектический сплав свинца (44,5 ат.% ) и висмута (55,5 ат.%), используемый в качестве охладителя в некоторых ядерных реакторах , а также предлагаемый охладитель для быстрого реактора со свинцовым охлаждением , являющегося частью инициативы реакторов поколения IV . Он имеет температуру плавления 123,5 °C/254,3 °F (чистый свинец плавится при 327 °C/621 °F, чистый висмут при 271 °C/520 °F) и температуру кипения 1670 °C/3038 °F. [1] [2]
Сплавы свинца с висмутом, содержащие от 30% до 75% висмута, имеют температуру плавления ниже 200 °C/392 °F. Сплавы с содержанием висмута от 48% до 63% имеют температуру плавления ниже 150 °C/302 °F. [3] В то время как свинец немного расширяется при плавлении, а висмут немного сжимается при плавлении, LBE имеет незначительное изменение объема при плавлении.
Советские подводные лодки класса «Альфа» использовали СВЭ в качестве охладителя для своих ядерных реакторов на протяжении всей холодной войны . [4]
ОКБ «Гидропресс» (российские разработчики легководных реакторов типа ВВЭР ) имеет опыт в реакторах СВЭ. СВБР-75/100, современная конструкция этого типа, является одним из примеров обширного российского опыта работы с этой технологией. [5]
Gen4 Energy (ранее Hyperion Power Generation ), американская фирма, связанная с Национальной лабораторией Лос-Аламоса , объявила в 2008 году о планах по проектированию и развертыванию небольшого модульного реактора на топливе из нитрида урана, охлаждаемого эвтектикой свинца-висмута, для коммерческой генерации электроэнергии, централизованного теплоснабжения и опреснения . Предлагаемый реактор, называемый Gen4 Module, планируется как реактор мощностью 70 МВт герметичного модульного типа, собираемый на заводе и транспортируемый на место для установки, а также транспортируемый обратно на завод для заправки. [6]
По сравнению с жидкометаллическими теплоносителями на основе натрия, такими как жидкий натрий или NaK , теплоносители на основе свинца имеют значительно более высокие температуры кипения , что означает, что реактор может работать без риска закипания теплоносителя при гораздо более высоких температурах. Это повышает термическую эффективность и потенциально может позволить производить водород посредством термохимических процессов.
Свинец и LBE также не реагируют легко с водой или воздухом, в отличие от натрия и NaK , которые самопроизвольно воспламеняются на воздухе и взрывоопасно реагируют с водой. Это означает, что реакторы с охлаждением свинцом или LBE, в отличие от конструкций с охлаждением натрием, не нуждаются в промежуточном контуре охлаждения, что снижает капитальные вложения, необходимые для завода.
Свинец и висмут также являются отличным радиационным экраном , поглощая гамма-излучение и одновременно будучи практически прозрачными для нейтронов . Напротив, натрий образует мощный гамма-излучатель натрий-24 ( период полураспада 15 часов) после интенсивного нейтронного излучения , требуя большой радиационной защиты для первичного контура охлаждения.
Будучи тяжелыми ядрами, свинец и висмут могут использоваться в качестве мишеней для расщепления нейтронов без деления, как при трансмутации отходов на ускорителях (см. усилитель энергии ).
Теплоносители как на основе свинца, так и на основе натрия имеют преимущество относительно высоких температур кипения по сравнению с водой, что означает, что нет необходимости создавать давление в реакторе даже при высоких температурах. Это повышает безопасность, поскольку снижает вероятность аварии с потерей теплоносителя (LOCA) и позволяет использовать пассивно безопасные конструкции. Термодинамический цикл ( цикл Карно ) также более эффективен при большей разнице температур. Однако недостатком более высоких температур является также более высокая скорость коррозии металлических структурных компонентов в LBE из-за их повышенной растворимости в жидком LBE с температурой (образование амальгамы ) и охрупчивания жидкого металла .
Свинец и LBE-охладитель более едкие по отношению к стали , чем натрий, и это накладывает верхний предел на скорость потока охлаждающей жидкости через реактор из соображений безопасности. Кроме того, более высокие температуры плавления свинца и LBE (327 °C и 123,5 °C соответственно) могут означать, что затвердевание охлаждающей жидкости может стать большей проблемой, когда реактор работает при более низких температурах.
Наконец, при нейтронном излучении висмут-209 , основной изотоп висмута, присутствующий в теплоносителе LBE, подвергается захвату нейтронов и последующему бета-распаду , образуя полоний-210 , мощный альфа-излучатель . Присутствие радиоактивного полония в теплоносителе потребует принятия специальных мер предосторожности для контроля альфа-загрязнения во время заправки реактора и обращения с компонентами, контактирующими с LBE. [7]