Перспективы разработки инновационных теплоносителей для ядерных реакторов

Перспективы разработки Перспективы разработки инновационных теплоносителей инновационных теплоносителей для ядерных реакторовдля ядерных реакторов

МИФИМИФИ, , 2424 мартамарта 20 201111

Александр ШимкевичАлександр Шимкевич

NATIONAL RESEARCH CENTERNATIONAL RESEARCH CENTER

KURCHATOV INSTITUTEKURCHATOV INSTITUTE

2

ОглавлениеОглавление

1.1. ВведениеВведение

2.2. Основы конструированияОсновы конструирования жидкометаллическихжидкометаллических теплоносителейтеплоносителей для ядерных реакторовдля ядерных реакторов

3.3. О конструировании водного теплоносителяО конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторовдля перспективных реакторов

4.4. Базисные топливные композицииБазисные топливные композиции для жидкосолевых реакторовдля жидкосолевых реакторов

5.5. Электрохимический контроль редокс–потенциалаЭлектрохимический контроль редокс–потенциала

6.6. ЗаключениеЗаключение

3

1. 1. ВведениеВведение

“Из всех животных, только человек избегает перспектив и вечных горизонтов””

ФФ. . НицшеНицше

“У радио нет будущего”

лорд Кельвинлорд Кельвин, 1897, 1897

Общим препятствием для инноваций является то, что они должны пройти короткий путь испытаний!

Сегодня тактика стала более важной, чем стратегия, из-за краткосрочного (немедленного) эффекта.

4

• Инновация есть больше, чем изобретение – это изобретение, которое широко используется.

• Инновация – это процесс генерации и совместного использования знаний, поэтому мы нуждаемся, прежде всего, в совместном инновационном опыте.

• Во-вторых, важно извлечь общие уроки, сравнивая и противопоставляя конкретный опыт.

• Рассматривая множество инновационных процессов в рамках общей схемы, можно обнаружить общие принципы.

• Это поможет идентифицировать и использовать успешную практику инноваций.


5

• Концепция инноваций стала сложной.

• Это процесс: стартуя от идеи, она развивается так, чтобы достичь рыночного продукта, который может изменить экономику.

“ИННОВАЦИЯ – процесс превращения идей в

производимую и рыночную форму”

В.В. Хампри Хампри


6

“Синтез – это путь большинства инноваций в природе”

С.С. ТидмурТидмур

M. Povey, “Characterizing nano and micro systems,” International Dairy Journal, 14 (2006)


7

Формирование коллоидов в молекулярно-динамической ячейке из частиц: 9826Na + 201Pb, красные шары – катионы натрия и синие – анионы свинца

2. 2. Основы конструированияОсновы конструирования жидкометаллическихжидкометаллических теплоносителей теплоносителей для ядерных реакторовдля ядерных реакторов

0

20

40

60

0

20

40

60

0

20

40

60

t=80ps L=76.134, Kf=0.87033

8

Температура сплава Na–Pb как функция времени взаимодействия жидкого металла и воздуха, измеренная двумя термопарами: снизу (1) и сверху (2) жидко-металлического слоя

0 5 10 15 20 25В рем я, м и н

0

200

400

600

800

Тем

пера

тура

, С

Р и с . 9 . О п ы т № 5 , тем п ер ат у р а с п л а в а 1 - н и ж н я я те р м о п а р а , 2 - в е р х н я я тер м о п а р а .

о

1

2

Te

mp

era

ture

, C

Time, seconds


9

Поля активности кислорода в неизотермическом свинцовом контуре


10

500 600 700 800 900 1000 1100T , K

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

E, B

K 2O

Fe 3O 4

C r2O 3

PbPb0.910.91KK0.090.09

PbPbPbPb0.450.45BiBi0.550.55

PbPb083083 MgMg

0.170.17

Измеренный редокс-потенциал эвтектического сплава Pb0.91K0.09 как функция температуры в сравнении с системами: Cr2O3/Cr, K2O/K, и Fe3O4/Fe


11

Типичные кластеры плотной части сплава Pb0.91K0.09 в МД - модели:черные сферы – нейтральные атомы свинца, зеленые – анионы свинца и красный – катион калия

Pb–Pb-–K+

Shimkevich A.L. Tetrahedral-chain-cluster model for thermodynamic description of fluids // Proc. of ICONE-16, 2008, P. ICONE16-48566


12

Контраст подструктур (плотной и рыхлой) равен 18% скачка плотности между жидкостью и вакуумом

Novikov A.G. et al, The microstructure of Pb–K from small-angle neutron scattering experiments //JNCS, 2007, 353, 3532


13

Экспериментальные данные (точки) структурного фактора сплавов PbK сравниваются с результатами их МД моделирования (линии)

Novikov A.G. et al, Microscopic structure of Pb-K: neutron-diffraction and molecular-dynamics investigation // Physica B, 2005, 364, 255


14


15

• Разработан генетический код флуктуаций плотности конденсированной среды.

• Построена модель раствора внедрения.

• Построена модель раствора дополнения.

• Разработана техника активации и подавления химических реакций в конденсированной среде.

• Модифицирована жидкометаллическая технология.


16

3. 3. О конструировании водного теплоносителяО конструировании водного теплоносителя для перспективных реакторов для перспективных реакторов

Типичный тетраэдрический кластер плотной части жидкого металла с тремя проекциями скелета в виде толстой линии, соединяющей центры тетраэдров

Скелет (красная ломаная) кластера плотной части воды в МД модели при 300 K, черные точки – центры тетраэдров кластера

17

Фрактальная наночастица как твердотельная мицелла

Кластер оксида в жидком калии: большие шары – анионы кислорода и маленькие – катионы калия


18

• 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 образуют цепочечную структуру…

/ 20

/ 3


19

Альтернативное увеличение теплопроводности наножидкости из-за кластерного структурирования наночастиц

Al2O3

Cu

Y. Ding et al, “Heat transfer intensification using nanofluids,” KONA, 25 (2007)

MaxwellXue

“Nanofluid datasheet – thermal conductivity (water solvent),” Meliorum Technologies, Inc. (2008)


20

В водной суспензии золота (3.10-4%об, 4.5 нм) the критический тепловой поток (CHF) может увеличиться в 2.5 раза, а коэффициент теплоотдачи – уменьшиться на 25% вследствие осаждения наночастиц на стенке

J.E. Jackson et al, “Characteristics of boiling with gold nanoparticles in water,” Proc. of IMECE (2006)


21

M. Assael et al, “Thermal conductivity of suspensions of carbon nanotubes in water,” (2003)

Полные сведения о критическом тепловом потоке (CHF)


22

Гидродинамический коллапс полимерной цепи (H N4/3)

N. Kikuchi et al, “Kinetics of the polymer collapse transition: the role of hydrodynamics,” Phys. Rev. E, 71 (2005)


23

• Оптимизация теплофизических свойств наножидкости требует синтез-процедур для создания стабильных фрактальных наночастиц в воде.

• Фрактальная структура наночастиц может дать шестикратное увеличение обычного вклада наножидкости в теплопроводность.

• Тонкие волокна 0.5-1.0 нм в диаметре могут формировать фрактальные кластеры размером 10-50 нм и увеличить теплопроводность воды до 18 такими наночастицами с объемной долей .

• Для получения и стабилизации фрактальных наночастиц в воде непосредственно необходимо модифицировать водно-химическую технологию и контроль pH на горячей стороне первого контура ВВЭР.


24

44. . Базисные топливные композицииБазисные топливные композиции для жидкосолевых реакторов для жидкосолевых реакторов

Жидкие фториды строятся 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.:

Атом/ионАтом/ион KK//KK++ Na/NaNa/Na++ Li/LiLi/Li++ Pu/PuPu/Pu3+3+ Th/ThTh/Th4+4+ U/UU/U4+4+ U/UU/U3+3+ Zr/ZrZr/Zr4+4+ Be/BeBe/Be2+2+ F/FF/F--

MeMe 0.780.78 0.950.95 1.021.02 1.261.26 1.301.30 1.341.34 1.341.34 1.351.35 1.531.53 4.004.00

Мольная доля LiF в эвтектических (║) бинарных системах LiF–MeFm (где Me = Th, U, Zr, Be) уменьшается от 1 (слева от ║) до 0 (справа от ║): LiF║3LiFThF44iFUF4║7LiF6UF42LiFZrF4║3LiF4ZrF42LiFBeF2║BeF2

25

Морфология изломов ликвидуса определяется гомологическими рядами соединений: (11–2n)LiF3nThF4 и (18–2n)NaF(2n+2)ThF4, где n = 0,1,2,3,4.

Различие коэффициентов при n в сомножителе ThF4 обусловлено разной электроотрицательностью натрия и лития (Na<Li), когда менее электро-отрицательный натрий легко отдает валентный электрон фтору и стано-вится почти свободным ионом в расплаве (ковалентная связь Na=F мала).


26

Таким образом, сложную морфологию ликвидуса KF–ThF4 легко объяснить отсутсвием ковалентных связей K=F в жидком фториде калия, поскольку этот метал менее электроотрицателен, чем натрий (K<Na).

Поэтому гомологические ряды соединений (12–n)KF(n+1)ThF4, имеют 1 при n в сомножителе mKThF4, т.е. число молекул ThF4 в разрешенных фазахсистемы KF–ThF4 изменяется 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 системы на области, где из раствора выпадают только чистые фториды.

Зеркальная симметрия фазовой диаграм-мы по вертикали из NaF в отсутствие фторидных соединений в смеси с фторид-ным расплавом обусловлена близостью (1%) точек плавления LiF и KF в отличие от Tm для NaF (14%).


28

Зеркальная симметрия фазовых диаграмм LiF–ThF4–UF4 и NaF–ThF4–UF4 относительно красной медианы из AF вершин следует из взаимной растворимости фторидов тория и урана в твердом и жидком состояниях вследствие почти равных радиусов Th4+ и U4+


29

• 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) нестехиометрических солей переменного состава.


30

Главный канал ТОРИЯ – Главный канал ТОРИЯ – наработка протактиния и урана наработка протактиния и урана UU233233

реакция скорость реакция скорость продуктыпродукты

n+Thn+Th232232 → (0. → (0.935935) → Th) → Th233233 →(β→(β--/22/22минмин)→)→

PaPa233233 →(β→(β--/27/27дд)→)→UU233233


31

Примесные каналы ТОРИЯПримесные каналы ТОРИЯ

реакция реакция скорость продуктыскорость продукты

n+Thn+Th232232 → (0.0 → (0.01818) → ) → 2n2n+Th+Th231231→(β→(β--/22/22чч)→)→PaPa231231

n+Thn+Th232232 → (0.0 → (0.00808) → ) → продукты делениепродукты деление

n+Thn+Th232232 → (0.0 → (0.00707) → ) → 3n3n+Th+Th230230


32

Примесные каналы ФТОРАПримесные каналы ФТОРА

реакция скорость реакция скорость продукты продукты

n+Fn+F1919 → → (0.050)(0.050) → → αα+n+n++NN1515

n+Fn+F1919 → (0.010) → → (0.010) → αα+N+N16 16 →(β→(β--/4.2c)→/4.2c)→OO1616

n+Fn+F1919 → (0.006) → → (0.006) → pp+n++n+OO1818

n+Fn+F1919 → (0.005) → F → (0.005) → F20 20 →(β→(β--/11.6c)→/11.6c)→NeNe2200

n+Fn+F1919 → → (0.003) → (0.003) → pp+O+O19 19 →(β→(β--/29.1c)→/29.1c)→FF1919


33

Примесные каналы ЛИТИЯПримесные каналы ЛИТИЯ


n+Lin+Li77 → → (0.0(0.00015)15) → → 22n+n+LiLi66

n+Lin+Li77 → → (0.0(0.00003)03) → → LiLi8 8 →→((ββ--/0/0..83c)→83c)→2He2He44

n+Lin+Li77 → (0.0 → (0.00003) → 03) → αα+2n++2n+HH22


34

Примесные каналы НАТРИЯПримесные каналы НАТРИЯ


n+n+NaNa2323 → (0.0036) → Na → (0.0036) → Na24 24 →(β→(β--/15/15чч)→)→MgMg2424

n+n+NaNa23 23 → (0.0012) → → (0.0012) → αα+F+F20 20 →(β→(β--/12c)→/12c)→NeNe2020

n+n+NaNa23 23 → (0.0006) →→ (0.0006) → pp+Ne+Ne23 23 →(β→(β--/38c)→/38c)→NaNa2323


35

Примесные каналы КАЛИЯПримесные каналы КАЛИЯ

реакция реакция скорость скорость продуктыпродукты

n+n+КК3399 → → (0.044) (0.044) → → КК4040

n+n+КК3399 → → (0.019) (0.019) → → pp++ArAr3939

n+n+КК3399 → → (0.010) (0.010) → → αα++ClCl3636

n+n+КК3399 → → (0.0 (0.0006)6) → → pp+n+n++ArAr3388

n+n+КК3399 → → (0.0 (0.00202)) → → αα+n+n++ClCl3535

Ввиду отсутствия сечений для КВвиду отсутствия сечений для К4141, имеющего одинаковую четность , имеющего одинаковую четность с Кс К3399, скорости его реакций оценивались пропорционально , скорости его реакций оценивались пропорционально содержанию этих изотопов в природном калии: 0.06 и 0.92.содержанию этих изотопов в природном калии: 0.06 и 0.92.


36

Жидкосолевой бланкет Экран из металла

Жидкосолевой бланкет набирается из 12 изолированных модулей


37

Модуль жидкосолевого бланкета (тепловая мощность 175 кВт)

Теплообменник первого контура

Теплообменник второго контура

Отвод тепла в теплофикацию

расплав соли FliNaK + ThF4

580ºС 5,86 кг/с

550ºС1 атм

расплав соли 92% NaBF4 - 8% NaF

539ºС 480ºС1,7 кг/с

вода20ºС

140ºС10 атм

очистка от продуктов деления


38

Теплообменник третьего контура

Модуль жидкосолевого бланкета

FliNaK + ThF4

580ºС 5,86 кг/с550ºС1 атм

450ºС

вода20ºС

140ºС10 атм


расплав свинца493ºС

430ºС19 кг/с

390ºСрасплав соли

57% NaF – 43% BeF2очистка свинца


39

Газовый объём

Слой расплава соли

Слой свинца

Коллектор со свинцомСтруи свинца


40

Слой расплава соли

Экран из расплава металла

Струи свинца

Газовый объём

Жидкосолевой бланкет набирается из 12 изолированных модулей


41


Модуль жидкосолевого бланкета

450ºС

вода20ºС

140ºС10 атм

Теплообменник первого контура

расплав свинца600ºС

500ºС12 кг/с

390ºСрасплав соли

57% NaF – 43% BeF2

Мониторинг и регулирование редокс-потенциала, очистка свинца


42

55. . Электрохимический контроль редокс–потенциалаЭлектрохимический контроль редокс–потенциала

а) b)

Зонная структура разрешенных энергетических состояний электронов в твердых (а) и расплавленных (b) солях, например, LiF.

43

b)

Циклическая вольтамграмма расплава LiCl–KCl (а) и его зонная структура (b)

а)


44

Анализируя вольтамграммы (ВАГ) смеси жидких солей в рамках зонной модели, можно найти характерные особенности электронной структуры в запрещенной зоне жидких солей

Циклическая вольтамграммы

примеси ZrF4 (0.5%мол.) в расплаве LiF-NaF (а) и его

зонная интерпретация (b)

а)

b)

200mV


45

Точное измерение редокс-потенциала в жидкой свинцовой петле


46

Принцип действие сенсораПринцип действие сенсора

• основывается на методе ЭДС с использованием оксидного электролита из твердого раствора (например, ZrO2·Y2O3 или ThO2·CaO),

• когда референсный и измерительный электроды по обе стороны электролита имеют разные редокс-потенциалы как активности кислорода,

• тогда чувствительный элемент сенсора может быть представлен в виде электрохимической ячейки:

Mo реф.электрод (Bi,Bi2O3) ZrO2·Y2O3 жидкий металл [O] Mo


47

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.

MoMe-MeOZrO2Y2O3Pb–OMo


48


49

Для жидких солей электрохимический метод может быть основан на электрохимической ячейке с твердой мембраной из Na+––Al2O3:

Mo Na Na+––Al2O3 Mo соль [Na]

ЭДС сенсора будет определяться термодинамической активностью натрия, aNa в измеряемой пробе :

E = (RT/F)lnaNa


50

• 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 металлов такие средства контроля существуют давно.

• Для воды нужно иметь высокотемпературный pH-метр.

• Для расплавленных солей предлагаются прецизионные методы ЭДС и кулонометрического титрования натрия (или лития) в гальванической ячейке с электролитом из Na+(Li+)––Al2O3.


51

66. . ИтогиИтоги

• Стратегия обосновывает инновационные усилия.

• В инновационной экономике главным вызовом управления является создание гибких организаций согласно принципу: структура следует за стратегией.

• Ключевой фактор успеха - сотрудничество и коммуникации.

• Партнерство может стать полезной стратегией для продвижения инноваций.

52

Программа НИОКР Программа НИОКР

A. Slocum, “NSF bio-nano,” Massachusetts Institute of Technology (2008)

а нужно это…внедрение публикациярезультат начало работывыданный лотзаявочная компаниятак ее понимаем ее оформление анонс программы

66. . ИтогиИтоги

53

СпасибоСпасибо!!

Documents

Перспективы разработки инновационных теплоносителей для ядерных реакторов