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锡能不能用做核反应堆的冷却剂? 第1页

  

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液态金属冷却剂材料的选用,一般会从以下几个方面考虑:

1.金属的熔沸点:

一方面,在反应堆中,冷却剂一般以液态形式存在,所以这要求金属冷却剂的熔点越低越好,这样可以使得反应堆运行温度的下限降低,对堆芯结构材料耐热性的要求就会相应降低,工程难度也会降低,这也就是为什么铅基反应堆一般会经历铅铋堆这一阶段,其中一个原因就是铅铋共晶体的熔点低,较铅冷堆而言其工程难度会小。另一方面,从发电效率的角度讲,冷却剂的沸点当然是高一点好,沸点越高,意味着反应堆出口温度可以越高(当然主要还是看堆芯结构材料的耐热性),这就是为什么我们要在压水堆中使用高压来提高水的沸点。

从热物性这一方面讲,锡的熔点为231.93℃,高于钠和铅铋共晶体、低于铅;沸点为2602℃,对于常用结构材料而言,这个温度也足够高了。

2.中子学特性:

在反应堆中,为了提高中子经济性,要求冷却剂和结构材料的吸收截面越小越好,因为中子被吸收得越少,反应堆越容易维持链式裂变反应。铅的宏观吸收截面为0.006/cm,钠的宏观吸收截面为0.013/cm;锡的宏观吸收截面为0.021/cm,相比于钠和铅这两种常用金属冷却剂而言吸收截面高很多,和水的宏观吸收截面几乎相等。吸收截面的大小还会影响冷却剂空泡反应性系数,对于液态金属快堆而言,吸收截面较大的冷却剂材料会引入较大的正的空泡系数,对于钠冷快堆而言,钠的空泡反应性是值得关注的问题;相比之下,锡的吸收截面是偏大了。

3.与结构材料的相容性

冷却剂需要与包壳及结构材料有良好的相容性,否则会导致材料腐蚀,热应力结构发生变化。液态金属锡可能会溶解一些金属材料,对结构材料造成腐蚀,冷却剂中的腐蚀产物会导致流道堵塞。但具体的腐蚀情况与结构材料、流速、温度等有关,需要通过实验来研究。

4.热学和流动性能

冷却剂的功能是不断循环、带走燃料热量,因此,比热容要大,粘度要小。锡的比热容比钠小,比铅大。(黏度数据不太清楚,欢迎补充)

总的来说,就现实而言,目前几乎没有使用锡做反应堆冷却剂的成熟案例;美国斯坦福大学好像做过类似的探索实验,估计也没有得到可行的结论。之于锡不能作为冷却剂的主要原因,个人认为可能是吸收截面大和相容性不好。

实际上,很多冷却剂材料的可行性都要通过实验和工程实践来研究验证。比如液态金属铅冷却剂,很多问题是在工程中发现的,也是在工程中解决的。

另外提一个类似却更极端的材料:镓。有学者尝试利用镓作为冷却剂,因为镓的熔点只有29℃,沸点高达2403℃;然而,镓的吸收截面偏大,远大于锡;而且镓与结构材料的相容性不好,很容易使结构材料脆化。




  

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