Основы применения легкоплавких металлов в ядерной энергетике

Люблинский Игорь Евгеньевич
к.т.н., начальник отдела АО «Красная Звезда»
8 916 202 7340

Дальний и ближний порядок
Упорядоченность на расстояниях, сравнимых с межатомными, называется ближним порядком, а упорядоченность, повторяющаяся на неограниченно больших расстояниях, — дальним порядком. В идеальном газе расположение атома в какой-либо точке пространства не зависит от расположения других атомов. Т. о., в идеальном газе отсутствует Д. п. и б. п., но уже в жидкостях и аморфных телах существует ближний порядок — некоторая закономерность в расположении соседних атомов. На больших расстояниях порядок «размывается» и постепенно переходит в «беспорядок», т. е. дальнего порядка в жидкости и аморфных телах нет.
В кристаллах атомы расположены правильными пространственными решётками и правильное чередование атомов на одних и тех же расстояниях друг относительно друга повторяется для сколь угодно отдалённых атомов, т. е. существует Д. п. и б. п. Основные признаки дальнего порядка — симметрия и закономерность в расположении частиц, повторяющаяся на любом расстоянии от данного атома. Наличие Д. п. и б. п. обусловлено взаимодействием между частицами.
Понятия Д. п. и б. п. важны для теории сплавов, где они характеризуют степень упорядочения сплава, например в сплаве из двух компонентов при полном упорядочении атомы двух сортов чередуются, т. е. каждый атом окружен ближайшими соседями только из атомов другого сорта. Неполный порядок проявляется в том, что среди соседей появляются атомы того же сорта. Полностью упорядоченное состояние возможно только при абсолютном нуле, т. к. тепловое движение нарушает порядок. В зависимости от тепловой и механической обработки в сплаве могут быть достигнуты разные степени упорядочения; при этом меняются также и физические свойства сплава.

Радиальная функция распределения
Понятие ближнего порядка вводится через парную функцию распределения f2 представляется в виде
где f1(r) - одночастичная функция распределения,
- расстояние между двумя атомами (молекулами)
Функция g(r) носит название радиальной функции распределения
Радиальная функция распределения для жидкости

Почему стоит вопрос об использовании легкоплавких металлов в ядерной энергетике?

Какие легкоплавкие металлы используются на практике и какие рассматриваются на перспективу

Металлы
Литий - Li
Натрий - Na
Калий – K
Цезий – Cs
Галлий - Ga
Свинец - Pb
Ртуть – Hg
Олово – Sn
Сплавы
Na-K
Na-K-Cs
Pb-Bi
Pb-Li
Pb-Bi-Li
Sn-Li

В каких областях энергетики используются
(рассматриваются как реальная возможность
для использования)
легкоплавкие металлы?

Исследовательские и экспериментальные ядерные реакторы

Энергетические ядерные реакторы
- быстрые реакторы для промышленной энергетики
- ядерные реакторы космического базирования
- ядерные реакторы для АПЛ

Термоядерные системы
- экспериментальные термоядерные установки (токамаки, стеллараторы)
- термоядерный источник нейтронов на базе токамака
- Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (ИТЭР)
- демонстрационный термоядерный реактор ДЕМО

Теплопередающие системы на базе жидкометаллических тепловых труб

Тэрмоэмиссионные преобразователи тепловой энергии
в электрическую

Основные функции легкоплавких металлов
в энергетических системах:
- перенос теплоты потоком металла в конденсированном состоянии
- перенос теплоты двухфазным потоком легкоплавкого металла
- наработка трития в реакторах термоядерного синтеза
- защита элементов конструкции энергетических систем, подвергающихся воздействию энергетических потоков высокой плотности
- рабочее тело паротурбинных систем преобразования энергии

Какие вопросы необходимо рассмотреть для обоснования использования легкоплавких металлов в энергетике?

Физические свойства
Химические свойства
Теплофизические характеристики
Термодинамические свойства
Основы металлургии легкоплавких металлов
Технология использования
Принципы конструирования и создания жидкометаллических систем
Вопросы экологии и безопасности
Совместимость легкоплавких металлов с конструкционными материалами

1. Субботин В.И., Размышления об атомной энергетике. СПб.: ОЭЭП РАН, 1995.
2. П.И. Быстров, Д.Н. Каган, Г.А. Кречетова, Э.Э. Шпильрайн. Жидкометаллические теплоносители тепловых труб и энергетических установок. М.: Наука, 1988.
3. М.Н. Ивановский, В.П. Сорокин, И.В. Ягодкин. Физические основы тепловых труб. М.: Атомиздат, 1978.
4. М.Н. Ивановский, В.П. Сорокин, Б.А. Чулков, И.В. Ягодкин. Технологические основы тепловых труб. М.: Атомиздат, 1980.
5. Г.М. Грязнов, В.А. Евтихин, И.Е. Люблинский и др. Материаловедение жидкометаллических систем термоядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1989.
6. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Субботин В.И. Испарение и конденсация металлов (теплообмен, массообмен, гидродинамика, технология). М.: Атомиздат, 1976.
7. Бескоровайный Н.М., Иолтуховский А.Г. Конструкционные материалы и жидкометаллические теплоносители. М.: Энергоатомиздат, 1983.
8. Субботин В.И., Ивановский М.Н., Арнольдов М.Н. Физико-химические основы применения жидкометаллических теплоносителей. М.: Атомиздат, 1970.
9. Турчин Н.М., Дробышев А.В. Экспериментальные жидкометаллические стенды. М.: Атомиздат, 1978.