Lò phản ứng kim loại lỏng

Lò phản ứng kim loại lỏng là một kiểu lò phản ứng hạt nhân tiên tiến sử dụng kim loại hóa lỏng làm chất dẫn nhiệt và làm mát. Lò phản ứng kim loại lỏng được sử dụng đầu tiên là để chạy các tàu ngầm sau đó được nghiên cứu để phục vụ cho việc phát điện. Nó có lợi thế là an toàn vì không cần phải có áp lực nên nó sẽ không bị nổ tung nếu rò rỉ, kim loại tản nhiệt rất nhanh vì thế khi bị rò rỉ nó sẽ rắn lại ngay lấp khe hở và tạo ra năng lượng cao hơn nhiều so với việc làm mát bằng nước. Nhược điểm của nó là khó kiểm tra vì lò phản ứng đầy kim loại lỏng nóng và đục nên không thể thấy tình trạng bên trong của lò phản ứng, khó sản xuất vì tùy vào đặc tính của loại kim loại được sử dụng mà việc chọn, sản xuất và sử dụng loại nhiên liệu phóng xạ phù hợp cũng như chọn vật liệu để làm vỏ lò phản ứng sẽ là một vấn đề rắc rối.

Thiết kế

Tất cả các lò phản ứng kim loại lỏng đều là dạng lò phản ứng nơtron nhanh hầu hết các lò phản ứng nơtron nhanh đều là dạng lò phản ứng tái sinh nhanh hay động cơ tàu. Các kim loại lỏng được sử dụng cần các đặc tính truyền nhiệt tốt. Lõi lò phản ứng nơtron nhanh có xu hướng tạo ra rất nhiều nhiệt trong một không gian nhỏ nếu so sánh với các loại lò phản ứng khác. Việc hấp thụ nơtron mức độ càng thấp càng tốt là tiêu chuẩn mong muốn của bất kỳ chất làm mát nào trong các lò phản ứng nhưng nó đặc biệt quan trọng trong loại lò phản ứng nhanh này khi mà nó tạo ra rất nhiều nơtron và việc giữ được các nơtron này càng lâu càng tốt sẽ là lợi thế của nó. Vì các nơtron di chuyển càng chậm thì càng dễ bị hấp thu, nên chất làm mát lý tưởng là chất có khả năng giảm tốc của nơtron thấp. Nhưng điểm quan trọng khác của chất làm mát này là nó sẽ không ăn mòn quá mạnh cấu trúc của lò phản ứng và nhiệt độ tan chảy cùng nhiệt độ sôi của nó thích hợp cho hoạt động của lò phản ứng.
Chất làm mát lý tưởng là loại không bao giờ bị sôi lên do nó sẽ giãn nở và tìm đường rò rỉ ra ngoài dẫn tới việc thiếu hụt chất làm mát do một phần kim loại sẽ bốc hơi mất cũng như kim loại khi rò rỉ ra ngoài sẽ đông cứng trám chỗ nứt lại nên sẽ tạo ra chỗ nứt khác khiến cho vỏ lò bị biến dạng. Ngược lại nếu kim loại không bị sôi thì nó có thể duy trì áp lực trong lò một cách ổn định cho dù nó nóng đến đâu sẽ làm giảm nguy cơ tụt giảm kim loại, vì thế loại kim loại được chọn thường có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cách nhau khá xa. Một số mẫu thiết kế dự định nhúng hệ thống trao đổi nhiệt vào chất lỏng làm mát bên ngoài, nhưng nó có nguy cơ là kim loại tản nhiệt ra quá nhanh khiến nó đông cứng lại trong lò phản ứng.

Các loại kim loại lỏng làm mát

Mặt dù nước trên lý thuyết có thể sử dụng trong dạng lò nơtron nhanh nhưng nó lại có khả năng giảm tốc của nơtron cao và hấp thu chúng. Điều này làm giảm tuổi thọ của thanh nhiên liệu trầm trọng nếu dùng nước. Dạng lò này có thể tỏa nhiệt rất mạnh mà điểm sôi của nước rất thấp nên áp suất trong lò sẽ luôn rất cao và nguy hiểm vì thế kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp đã được chọn để thay thế.

Thủy ngân

Mẫu thử nghiệm đầu tiên của dạng lò phản ứng này là Clementine, nó sử dụng thủy ngân để làm chất tản nhiệt. Nó được xem là một lựa chọn hiển nhiên vì thủy ngân nóng chảy trong nhiệt độ phòng. Tuy nhiên nó gặp một loạt các rắc rối là thủy ngân có độc tính cao, nhiệt độ sôi thấp, độ ăn mòn và thẩm thấu quá mạnh cũng như khả năng giảm tốc của nơtron cao nên thủy ngân không còn được dùng để làm chất tản nhiệt cho loại lò phản ứng kim loại lỏng nữa.

Động cơ

Tàu ngầm K-27 của Liên Xô và tất cả các tàu ngầm lớp Alfa đều sử dụng lò phản ứng hợp kim chì-bismuth hóa lỏng (lò phản ứng VT-1 sử dụng trên K-27, lò phản ứng BM-40A và OK-550 sử dụng trên các tàu Alfa).
Tàu ngầm USS Seawolf (SSN-575) của Hoa Kỳ thiết kế sử dụng lò phản ứng Natri hóa lỏng. Nó đã được đưa vào biên chế năm 1957 nhưng gặp vấn đề lớn trong việc ổn định nhiệt độ của lò phản ứng khiến nó trở nên quá nóng. Nên đã buộc phải thay lò phản ứng Natri lỏng bằng lò phản ứng nước áp lực.

Thử nghiệm và chế tạo máy phát điện

Chương trình thử nghiệm lò phản ứng Natri đã được thực hiện tại khu vực thí nghiệm Santa Susana tiến hành bởi Atomics International một chi nhánh của North American Aviation. Tháng 7 năm 1959 đã xảy ra một tai nạn nghiêm trọng làm 13 trong số 43 thanh nhiên liệu bị nóng chảy giải thoát một lượng lớn khí nhiễm xạ. Lò phản ứng sau đó được sửa chữa và đưa vào hoạt động trở lại vào tháng 9 năm 1960 sau đó ngừng hoạt động năm 1964. Tổng cộng nó đã tạo ra 37 GW-h điện trong suốt cuộc thử nghiệm.
Cơ quan Năng lượng nguyên tử Vương quốc Anh đã tiến hành thử nghiệm lò phản ứng tái sinh nhanh tại Dounreay sử dụng NaK làm chất tản nhiệt từ năm 1959 đến năm 1977 nó đã tạo ra 600 GW-h để hòa vào lưới điện trong suốt cuộc thử nghiệm.
Liên Xô đã chế tạo ra hai lò phản ứng tạo ra điện là BN-350 và BN-600, BN-600 gây được sự chú ý của quốc tế những nước cũng có các lò phản ứng tái sinh nhanh với công suất 600 MW, việc cải tiến nó đang được Nga, Pháp, Nhật Bản và Anh đang cùng hợp tác tham gia thực hiện. Lò phản ứng BN-800 của Nga đang là lò phản ứng tái sinh nhanh lớn nhất với công suất 880 MW và lò phản ứng BN-1200 đang được chế tạo dự định đi vào hoạt động trong khoảng năm 2018-2020 sẽ có công suất khoảng 1200 MW.
Hoa Kỳ cũng đã chế tạo hai loại lò phản ứng là EBR-I với công suất 200 kW và EBR-II với công suất 62,5 MW sử dụng NaK làm chất tản nhiệt.