Перспективы разработки инновационных теплоносителей для ядерных реакторов

1. NATIONAL RESEARCH CENTER KURCHATOV INSTITUTE Перспективы разработки инновационных теплоносителей для ядерных реакторов Александр Шимкевич МИФИ, 24марта 2011

2. Оглавление • Введение • Основы конструированияжидкометаллическихтеплоносителейдля ядерных реакторов • О конструировании водного теплоносителядля перспективных реакторов • Базисные топливные композициидля жидкосолевых реакторов • Электрохимический контроль редокс–потенциала • Заключение

3. 1. Введение “Из всех животных, только человекизбегаетперспектив ивечных горизонтов” Ф. Ницше “У радио нет будущего” лорд Кельвин, 1897 Общим препятствием для инноваций являетсято, чтоони должны пройтикороткий путь испытаний! Сегоднятактикастала более важной, чемстратегия,из-за краткосрочного (немедленного) эффекта.

4. 1. Введение • Инновация есть больше, чемизобретение – это изобретение,которое широко используется. • Инновация – это процессгенерации исовместного использованиязнаний,поэтому мы нуждаемся, прежде всего, в совместном инновационном опыте. • Во-вторых, важно извлечьобщие уроки,сравнивая и противопоставляя конкретныйопыт. • Рассматривая множество инновационных процессов в рамках общей схемы, можно обнаружить общие принципы. • Это поможет идентифицировать и использоватьуспешную практикуинноваций.

5. 1. Введение • Концепция инноваций сталасложной. • Этопроцесс: стартуя отидеи,она развивается так, чтобы достичьрыночного продукта,который может изменить экономику. “ИННОВАЦИЯ – процесс превращенияидейв производимую ирыночную форму” В.Хампри

6. 1. Введение “Синтез – этопутьбольшинства инноваций в природе” С.Тидмур M. Povey, “Characterizing nano and micro systems,” International Dairy Journal, 14 (2006)

7. 2. Основы конструированияжидкометаллических теплоносителейдля ядерных реакторов Формирование коллоидов в молекулярно-динамической ячейкеиз частиц: 9826Na+201Pb, красныешары – катионынатрия исиние– анионы свинца

8. 2. Основы конструированияжидкометаллических теплоносителейдля ядерных реакторов Температура сплаваNa–Pb как функциявременивзаимодействияжидкого металлаи воздуха, измеренная двумя термопарами: снизу (1) и сверху(2) жидко-металлического слоя

9. 2. Основы конструированияжидкометаллических теплоносителейдля ядерных реакторов Поля активности кислородав неизотермическомсвинцовом контуре

10. 2. Основы конструированияжидкометаллических теплоносителейдля ядерных реакторов Pb083Mg0.17 Pb0.91K0.09 Измеренный редокс-потенциалэвтектического сплава Pb0.91K0.09как функциятемпературы в сравнении ссистемами: Cr2O3/Cr, K2O/K, и Fe3O4/Fe Pb0.45Bi0.55 Pb

11. 2. Основы конструированияжидкометаллических теплоносителейдля ядерных реакторов Типичные кластерыплотной частисплава Pb0.91K0.09в МД - модели:черныесферы – нейтральные атомысвинца, зеленые– анионы свинца икрасный – катионкалия Pb–Pb-–K+ ShimkevichA.L. Tetrahedral-chain-cluster model for thermodynamic description of fluids // Proc. of ICONE-16, 2008, P. ICONE16-48566

12. 2. Основы конструированияжидкометаллических теплоносителейдля ядерных реакторов Контраст подструктур (плотной и рыхлой) равен18% скачка плотности между жидкостью и вакуумом NovikovA.G.et al, The microstructure of Pb–K from small-angle neutron scattering experiments //JNCS, 2007, 353, 3532

13. 2. Основы конструированияжидкометаллических теплоносителейдля ядерных реакторов Экспериментальные данные (точки) структурного факторасплавов PbKсравниваются с результатами их МД моделирования (линии) NovikovA.G.et al, Microscopic structure of Pb-K: neutron-diffraction and molecular-dynamics investigation// Physica B, 2005, 364, 255

14. 2. Основы конструированияжидкометаллических теплоносителейдля ядерных реакторов

15. 2. Основы конструированияжидкометаллических теплоносителейдля ядерных реакторов • Разработан генетический код флуктуаций плотности конденсированной среды. • Построена модель раствора внедрения. • Построена модель раствора дополнения. • Разработана техника активации и подавленияхимических реакцийв конденсированной среде. • Модифицирована жидкометаллическая технология.

16. 3. О конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторов Скелет (красная ломаная) кластера плотнойчасти водыв МД моделипри 300 K, черныеточки – центры тетраэдров кластера Типичный тетраэдрический кластерплотной части жидкого металлас тремя проекциями скелетав виде толстой линии,соединяющей центры тетраэдров

17. 3. О конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторов Кластер оксидав жидком калии: большие шары – анионы кислорода и маленькие – катионы калия Фрактальная наночастицакак твердотельная мицелла

18. 3. О конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторов • Наножидкости(ANL) = суспензии наночастиц в жидкостях – новый класс теплоносителей как системы нанометровых твердых частиц в неметаллических жидкостях. • “Создание водных наносуспензий – императив XXI века!”(С. Чои) • 0.5%об. 2-нм частиц золота увеличивает теплопроводность водына 10%, если они образуютцепочечную структуру… / 20 / 3

19. 3. О конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторов Альтернативное увеличение теплопроводности наножидкости из-закластерного структурирования наночастиц Cu Al2O3 “Nanofluid datasheet – thermal conductivity (water solvent),” Meliorum Technologies, Inc. (2008) Y. Ding et al, “Heat transfer intensification using nanofluids,” KONA, 25 (2007)

20. 3. О конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторов В водной суспензии золота (3.10-4%об, 4.5 нм) the критический тепловой поток (CHF) может увеличиться в2.5раза, а коэффициент теплоотдачи – уменьшиться на 25% вследствие осаждениянаночастиц на стенке J.E. Jackson et al, “Characteristics of boiling with gold nanoparticles in water,” Proc. of IMECE (2006)

21. 3. О конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторов Полные сведения окритическом тепловом потоке(CHF) M. Assael et al, “Thermal conductivity of suspensions of carbon nanotubes in water,” (2003)

22. 3. О конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторов Гидродинамический коллапсполимерной цепи (H  N4/3) N. Kikuchi et al, “Kinetics of the polymer collapse transition: the role of hydrodynamics,” Phys. Rev. E, 71 (2005)

23. 3. О конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторов • Оптимизациятеплофизических свойствнаножидкоститребуетсинтез-процедурдля созданиястабильных фрактальныхнаночастиц в воде. • Фрактальная структурананочастицможет дать шестикратноеувеличениеобычного вклада наножидкости в теплопроводность. • Тонкие волокна 0.5-1.0 нмв диаметремогут формировать фрактальные кластеры размером 10-50 нмиувеличить теплопроводностьводыдо 18такими наночастицамис объемной долей. • Для получения и стабилизациифрактальных наночастиц в воденепосредственнонеобходимо модифицироватьводно-химическуютехнологиюи контроль pH на горячей стороне первого контура ВВЭР.

24. 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов Жидкие фторидыстроятся в ряд усиления ковалентной связи,Me═F: Усиление ковалентной связи,Me═F, в жидких фторидах  KF  NaF  LiF  ThF4 UF4 ZrF4 BeF2, В соответствии с ростом электроотрицательности, Me, металлов в табл.: Мольная доляLiF в эвтектических (║) бинарных системахLiF–MeFm (гдеMe = Th, U, Zr,Be) уменьшается от 1 (слева от ║) до 0 (справа от ║): LiF║3LiFThF44iFUF4║7LiF6UF42LiFZrF4║3LiF4ZrF42LiFBeF2║BeF2

25. 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов Морфология изломов ликвидуса определяется гомологическими рядами соединений:(11–2n)LiF3nThF4 и (18–2n)NaF(2n+2)ThF4, где n = 0,1,2,3,4. Различие коэффициентов приn в сомножителеThF4 обусловлено разнойэлектроотрицательностьюнатрия и лития (Na<Li), когда менее электро-отрицательныйнатрий легко отдает валентный электрон фторуи стано-вится почти свободным иономв расплаве(ковалентная связьNa=Fмала).

26. 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов Таким образом, сложную морфологию ликвидуса KF–ThF4 легко объяснитьотсутсвием ковалентных связей K=F в жидком фториде калия,поскольку этот метал менее электроотрицателен, чем натрий (K<Na).Поэтому гомологическиеряды соединений(12–n)KF(n+1)ThF4, имеют1при n в сомножителе mKThF4, т.е.число молекул ThF4в разрешенных фазах системы KF–ThF4изменяется на 1,в отличие от NaF–ThF4 - на 2 и LiF–ThF4 - на 3

27. Проекции изотерм ликвидуса KF–NaF–LiF имеет эвтектические изломы, разбивая треугольник состава системына области,где из раствора выпадают только чистые фториды. Зеркальная симметрия фазовой диаграм-мыпо вертикали изNaF в отсутствиефторидных соединенийв смеси с фторид-ным расплавомобусловлена близостью(1%) точек плавленияLiF и KF в отличиеотTmдляNaF(14%). 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов

28. 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов Зеркальная симметрия фазовых диаграммLiF–ThF4–UF4 и NaF–ThF4–UF4относительнокрасной медианыиз AF вершинследует из взаимной растворимости фторидов тория и уранав твердом и жидком состоянияхвследствие почти равных радиусовTh4+ и U4+

29. 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов • Чтобы выбирать инновационные составы соли, важно проводить молекулярно-динамическое (МД) моделирование многокомпонентных систем и изучать влияние примесей на микроструктуру и атомную динамику жидких солей. • Из этих результатов можно классифицировать растворы примесей и их эффекты на физико-химические свойства соли, оценить степень компонентной диссоциации в функции окислительно-восстановительного потенциала (уровня Ферми) нестехиометрическихсолей переменного состава.

30. Главный канал ТОРИЯ – наработка протактиния и урана U233 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов реакция скорость продукты n+Th232 → (0.935) → Th233→(β-/22мин)→ Pa233→(β-/27д)→U233

31. Примесные каналы ТОРИЯ 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов реакция скорость продукты n+Th232 → (0.018) → 2n+Th231→(β-/22ч)→Pa231 n+Th232 → (0.008) → продукты деление n+Th232 → (0.007) → 3n+Th230

32. Примесные каналы ФТОРА 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов реакция скорость продукты n+F19 →(0.050) →α+n+N15 n+F19 → (0.010) → α+N16 →(β-/4.2c)→O16 n+F19 → (0.006) → p+n+O18 n+F19 → (0.005) → F20 →(β-/11.6c)→Ne20 n+F19 →(0.003) → p+O19 →(β-/29.1c)→F19

33. Примесные каналы ЛИТИЯ 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов реакция скорость продукты n+Li7 →(0.0015) →2n+Li6 n+Li7 →(0.0003) → Li8 →(β-/0.83c)→2He4 n+Li7 → (0.0003) → α+2n+H2

34. Примесные каналы НАТРИЯ 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов реакция скорость продукты n+Na23 → (0.0036) → Na24 →(β-/15ч)→Mg24 n+Na23 → (0.0012) → α+F20 →(β-/12c)→Ne20 n+Na23 → (0.0006) →p+Ne23 →(β-/38c)→Na23

35. Примесные каналы КАЛИЯ 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов реакция скорость продукты n+К39 → (0.044) →К40 n+К39 → (0.019) →p+Ar39 n+К39 → (0.010) →α+Cl36 n+К39 → (0.006) →p+n+Ar38 n+К39 → (0.002) →α+n+Cl35 Ввиду отсутствия сечений для К41, имеющего одинаковую четность с К39, скорости его реакций оценивались пропорционально содержанию этих изотопов в природном калии: 0.06 и 0.92.

36. 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов Жидкосолевой бланкет Экран из металла Жидкосолевой бланкет набирается из 12 изолированных модулей

37. Отвод тепла в теплофикацию Теплообменник второго контура Теплообменник первого контура Модуль жидкосолевого бланкета (тепловая мощность 175 кВт) 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов 140ºС 10 атм вода 20ºС расплав соли 92% NaBF4-8% NaF 539ºС 480ºС 1,7 кг/с расплав соли FliNaK + ThF4 580ºС 5,86 кг/с очистка от продуктов деления 550ºС 1 атм

38. Теплообменник третьего контура 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов 430ºС 19 кг/с FliNaK + ThF4 580ºС 5,86 кг/с 140ºС 10 атм вода 20ºС 550ºС 1 атм 450ºС 390ºС расплав соли 57% NaF – 43% BeF2 очистка свинца расплав свинца 493ºС Теплообменник второго контура Модуль жидкосолевого бланкета

39. Коллектор со свинцом Струи свинца Газовый объём Слой расплава соли Слой свинца 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов

40. 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов Экран из расплава металла Газовый объём Струи свинца Слой расплава соли Жидкосолевой бланкет набирается из 12 изолированных модулей

41. Теплообменник второго контура 4. Базисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов 500ºС 12 кг/с 140ºС 10 атм вода 20ºС Мониторинг и регулирование редокс-потенциала, очистка свинца 390ºС 450ºС расплав соли 57% NaF – 43% BeF2 расплав свинца 600ºС Модуль жидкосолевого бланкета Теплообменник первого контура

42. 5. Электрохимический контроль редокс–потенциала а) b) Зонная структураразрешенных энергетических состояний электроновв твердых (а) и расплавленных (b) солях, например, LiF.

43. 5. Электрохимический контроль редокс–потенциала Циклическая вольтамграмма расплаваLiCl–KCl (а) и его зонная структура (b) а) b)

44. 5. Электрохимический контроль редокс–потенциала Анализируя вольтамграммы (ВАГ) смеси жидких солейв рамках зонной модели, можно найти характерные особенностиэлектронной структуры в запрещенной зоне жидких солей Циклическая вольтамграммыпримесиZrF4(0.5%мол.) в расплавеLiF-NaF (а) иего зонная интерпретация (b) 200mV а) b)

45. 5. Электрохимический контроль редокс–потенциала Точное измерениередокс-потенциалав жидкой свинцовой петле

46. 5. Электрохимический контроль редокс–потенциала Принцип действие сенсора • основывается на методе ЭДСс использованием оксидного электролитаиз твердого раствора (например, ZrO2·Y2O3илиThO2·CaO), • когда референсный и измерительный электродыпо обе стороны электролита имеютразныередокс-потенциалыкак активности кислорода, • тогда чувствительный элемент сенсораможет быть представленв виде электрохимической ячейки: Mo реф.электрод (Bi,Bi2O3) ZrO2·Y2O3жидкий металл [O] Mo

47. 5. Электрохимический контроль редокс–потенциала 1 – sensor;2 – lock block system; 3 – nonconductor; 4 – electrolyte; 5 – reference electrode;6 – sensor container;7 – leading-out wire; 8 – seal; 9 – lock blocks; 10 – container; 11 – seal. MoMe-MeOZrO2Y2O3Pb–OMo

48. 5. Электрохимический контроль редокс–потенциала

49. 5. Электрохимический контроль редокс–потенциала Для жидких солейэлектрохимический методможет быть основан на электрохимической ячейке ствердой мембраной изNa+––Al2O3: Mo Na Na+––Al2O3Mo соль[Na] ЭДС сенсора будет определятьсятермодинамической активностью натрия, aNaв измеряемой пробе : E = (RT/F)lnaNa

50. 5. Электрохимический контроль редокс–потенциала • Разработка точного метода ЭДС и средств контроля редокс- потенциала необходимо для того, чтобы модифицировать водный и жидкометаллические теплоносители, создать новые конструкционные материалы, твердые и солевые топливные композиции. • Для жидких металловтакие средства контроля существуют давно. • Для водынужно иметь высокотемпературный pH-метр. • Для расплавленных солейпредлагаются прецизионные методы ЭДСи кулонометрического титрования натрия (или лития) в гальванической ячейке с электролитом из Na+(Li+)––Al2O3.