鉛鉍合金
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鉛鉍合金（Lead-Bismuth Eutectic, LBE）是鉛（44.5%）和鉍（55.5%）的共晶合金。它用作一些反應堆的冷卻劑，也是鉛冷快堆的提議冷卻劑，是第四代反應堆倡議的一個部分。它的熔點為123.5 °C/255.3 °F（純鉛的熔點為 327 °C/621 °F，純鉍的熔點為 271 °C/520 °F），沸點為1,670 °C/3,038 °F。
鉍含量在30%到75%之間的鉛鉍合金，其熔點均低於200 °C/392 °F。鉍含量在48%到63%之間的鉛鉍合金，其熔點低於150 °C/302 °F。[1]鉛熔化時會稍微膨脹，鉍熔化時會稍微收縮，而鉛鉍合金熔化時的體積變化微不足道。
歷史 編輯
在整個冷戰期間，蘇聯705型核潛艇使用鉛鉍合金作為核反應堆的冷卻劑。[2]
俄羅斯人是公認的鉛鉍冷卻反應堆專家，液壓機實驗設計局（VVER型輕水反應堆的俄羅斯研發公司）在它們的發展這一方面具有特殊的專業知識。SVBR-75/100反應堆是這類型的現代設計，是俄羅斯人在這技術上的廣博經驗的一個例子。[3]
與洛斯阿拉莫斯國家實驗室有聯繫的美國公司Gen4 Energy（舊稱Hyperion Power Generation, Inc.），在2008年宣佈設計並部署以氮化鈾為燃料的小型模塊化反應堆。它們用鉛鉍合金冷卻，以進行商業發電、區域供暖和海水淡化。提議的反應堆稱為第四代模組，計劃為70 MW的密封模塊化反應堆，首先在工廠里組裝，然後運輸到現場以便安裝，最後運回工廠添加燃料。[4]
優點 編輯
與鈉基液態金屬冷卻劑，如液態鈉和鈉鉀合金（NaK）等相比，鉛基冷卻劑沸點較高，因此反應堆在高溫下運行時，就不用擔心冷卻劑沸騰。這可以提升反應堆的熱效率，並且可以通過熱化學過程氫氣的生產。
鉛與鉛鉍合金不會容易與水和空氣反應。鈉和鈉鉀合金反之，它們會在空氣中自燃，可以和水發生爆炸性反應。因此，以鉛或鉛鉍合金為冷卻劑的反應堆，不像以鈉或鈉鉀合金為冷卻劑的反應堆一樣，不需要中間冷卻劑迴路，從而減少興建核電廠的投資資金。
鉛和鉍都是良好的輻射遮蔽物，它們可以阻擋γ輻射，也幾乎不受中子影響。相反，鈉受到強烈的中子輻射後會形成強大的γ輻射體鈉-24（半衰期15小時），所以基本冷卻迴路需要強有力的輻射遮蔽物。
鉛和鉍作為較重的原子核，可以用作非裂變中子生產的散裂目標，如在放射性廢物的加速嬗變。(參見能量放大器，一種核反應堆)
另一個優點是，鉛基和鈉基冷卻劑的沸點比水的高。因此，即使在高溫下也無需將反應器加壓。這可以提升反應堆的安全性，因為它大幅減少發生冷卻劑流失事故的機會。它也可以用來製作被動安全設計。
限制 編輯
鉛和鉛鉍合金對鋼的腐蝕性較鈉的高，出於安全考慮，這對流過反應堆的冷卻劑的流速設置了上限。此外，鉛和鉛鉍合金熔點高（鉛：327 °C，鉍：123.5 °C），所以反應堆在低溫下運行時，冷卻劑的凝固可能會構成更大的問題。
最後，鉍-209（用於鉛鉍合金冷卻劑中的鉍的主要穩定同位素）一旦受到中子輻射，就會經過中子捕獲以及後來發生的β衰變，形成釙-210。釙-210是一種強大的α輻射體。在更換核燃料和處理與鉛鉍合金接觸的組件時，如果釙出現在冷卻劑，就需要特別的預防措施以控制放射性污染。[5]
參見 編輯
參考資料 編輯
- ^ http://www.nea.fr/html/science/reports/2007/pdf/chapter2.pdf （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Handbook on Lead-bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties
- ^ Bugreev, M. I. Assessment of Spent Fuel of Alfa Class Nuclear Submarines. MRS Proceedings. 2002, 713. doi:10.1557/PROC-713-JJ11.61.
- ^ Zrodnikov, A. V.; Grigoriev, O. G.; Chitaykin, V. I.; Dedoul, A. V.; Gromov, B. F.; Toshinsky, G. I.; Dragunov, Yu. G. Multipurposed small fast reactor SVBR-75/100 cooled by plumbum-bismuth. Power Reactors and Sub-Critical Blanket Systems with Lead and Lead-Bismuth as Coolant and/or Target Material (PDF). IAEA TECDOC 1348. Vienna, Austria: International Atomic Energy Agency. May 2003: 117–132 [2009-12-04]. ISBN 92-0-101503-8. （原始內容存檔 (PDF)於2021-11-17）.
- ^ The Gen4 Module, Safety & Security. [25 Jun 2012]. （原始內容存檔於2012-07-01）.
- ^ Long-lived radionuclides of sodium, lead-bismuth, and lead coolants in fast-neutron reactors.