• 鉛鉍合金

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    鉛鉍合金

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    鉛鉍共晶或 LBE 是鉛 (44.5 at%) 和鉍 (55.5 at%) 的共晶合金,在某些核反應堆中用作冷卻劑,并且是鉛冷快堆的擬議冷卻劑,是 Generation 的一部分 IV 反應器倡議。它的熔點為 123.5 °C/255.3 °F(純鉛在 327 °C/621 °F 下熔化,純鉍在 271 °C/520 °F 下熔化),沸點為 1,670 °C/ 3,038°F。

    鉍含量在 30% 至 75% 之間的鉛鉍合金的熔點均低于 200 °C/392 °F。鉍含量在 48% 至 63% 之間的合金的熔點均低于 150 °C/302 °F。而鉛會略微膨脹 在熔化時,鉍在熔化時略有收縮,LBE 在熔化時體積變化可以忽略不計。

    歷史

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    在整個冷戰期間,蘇聯阿爾法級潛艇使用 LBE 作為其核反應堆的冷卻劑。

    俄羅斯人是公認的鉛鉍冷卻反應堆專家,OKB Gidropress(VVER 型輕水反應堆的俄羅斯開發商)在其開發方面擁有特殊專業知識。 SVBR-75/100 是這種類型的現代設計,是俄羅斯在這項技術方面擁有豐富經驗的一個例子。

    Gen4 Energy(前身為 Hyperion Power Generation)是一家與洛斯阿拉莫斯國家實驗室有聯系的美國公司,它于 2008 年宣布計劃設計和部署一個以氮化鈾為燃料的小型模塊化反應堆,該反應堆由鉛鉍共晶冷卻,用于商業發電區域供熱和 脫鹽。 擬議的反應堆稱為 Gen4 模塊,計劃作為密封模塊化類型的 70 MWth 反應堆,在工廠組裝并運輸到現場進行安裝,然后運回工廠進行燃料補給。

    優勢

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    液態鈉或 NaK 等鈉基液態金屬冷卻劑相比,鉛基冷卻劑的沸點要高得多,這意味著反應堆可以在更高溫度下運行而沒有冷卻劑沸騰的風險。 這提高了熱效率,并可能允許通過熱化學過程生產氫氣

    鉛和 LBE 也不易與水或空氣發生反應,而鈉和 NaK 在空氣中會自燃并與水發生爆炸性反應。 這意味著鉛冷卻或 LBE 冷卻反應堆與鈉冷卻設計不同,不需要中間冷卻劑回路,從而減少了工廠所需的資本投資

    鉛和鉍也是極好的輻射屏蔽物,吸收伽馬輻射同時對中子幾乎透明。 相比之下,鈉在強烈的中子輻射后形成強效伽馬發射體 sodium-24(半衰期 15 小時),主冷卻回路需要大型輻射屏蔽。

    作為重核,鉛和鉍可用作非裂變中子產生的散裂靶,如廢物的加速器嬗變(參見能量放大器)。

    與水相比,鉛基和鈉基冷卻劑都具有沸點相對較高的優勢,這意味著即使在高溫下也無需對反應堆加壓。 這提高了安全性,因為它降低了冷卻劑損失事故 (LOCA) 的可能性,并允許進行被動安全設計。 溫差越大,熱力循環(卡諾循環)的效率也越高。 然而,較高溫度的缺點也是 LBE 中金屬結構部件的腐蝕速率較高,因為它們在液態 LBE 中的溶解度隨溫度升高(形成汞齊)和液態金屬脆化。

    限制

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    鉛和 LBE 冷卻劑比鈉對腐蝕性更強,出于安全考慮,這對冷卻劑流過反應堆的速度設置了上限。 此外,鉛和 LBE 的熔點較高(分別為 327 °C 和 123.5 °C)可能意味著當反應堆在較低溫度下運行時,冷卻劑的凝固可能是一個更大的問題。

    鉛鉍合金

    最后,在中子輻射后,LBE 冷卻劑中鉍的主要同位素鉍 209 經歷中子俘獲和隨后的 β 衰變,形成強效 α 發射體釙 210。 如果冷卻劑中存在放射性釙,則需要采取特殊的預防措施,以在反應堆補給燃料和處理與 LBE 接觸的部件期間控制 α 污染。

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    3. 優勢
    4. 限制

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