Liquid metal testing facility could boost fast reactors / La struttura di prova dei metalli liquidi potrebbe potenziare i reattori veloci
Manchester University is the UK partner in a three-year joint US/UK project to develop a liquid metal testing facility that will help investigate the behaviour of liquid lead as a coolant for nuclear fast reactors.
The project, in which the EPSRC is funding the UK’s involvement, is expected to push the boundaries of knowledge of the behaviour of liquid metals.
Liquid metal cooled reactors have been investigated for marine propulsion, but not for power generation, and have not been produced commercially.
Their advantages are the excellent heat transfer properties of liquid metals, which allows the reactor core to be more compact. Liquid metals can be heated to temperatures of hundreds of degrees centigrade without the need for pressurisation as in a water reactor, which makes them safer to operate. The higher operating temperature boosts the overall thermodynamic efficiency of the plant.
Dr Andrea Cioncolini, associate professor of thermal hydraulics in the university’s Mechanical, Aerospace and Civil Engineering department, said liquid metal cooled reactors would be smaller and simpler to make, so that numerous small reactors could be built instead of large bespoke units. Small modular reactors could have long-life prefabricated cores that could run for several years before being replaced.
However, little is known about the behaviour of liquid lead and in particular the erosion and corrosion of materials exposed to it at high temperatures. Investigation is made more difficult by the fact that lead is not transparent.
The test set up will consist of a cylindrical vessel of about 15l capacity, which will have test samples arranged around the wall. It will be filled with liquid lead and a variable speed impeller in the centre will generate a flow of the metal at up to 700oC, causing erosion.
Corrosion products could build up on the samples, or in stronger flows they could be removed and deposited elsewhere. “Ideally you want to produce as little corrosion as possible, and then you want to know where it will be deposited,” Cioncolini said.
Manchester’s role, starting in January, will be to undertake computational fluid dynamics simulations, first to inform the design of the apparatus and then to help interpret and analyse the results.
Cioncolini said that because of the difficulty of taking measurements in liquid lead, the experimental measurements would too “coarse” to gain a full understanding, “so the CFD provides additional details on the flow development and the thermal field that you cannot measure directly.”
The other partners in the project are Pittsburgh University, which will build and run the experimental facility; Argonne National Laboratory, which has developed ultrasound techniques to “see” through liquid metals; Los Alamos National Laboratory and ENEA, the Italian national agency for new technologies, which both have experience in operating test rigs with liquid lead. Westinghouse Electric is the industry partner and US involvement is funded by the US Department of Energy.
ITALIANO
L'Università di Manchester è partner del Regno Unito in un progetto congiunto USA / Regno Unito di tre anni per lo sviluppo di una struttura di prova per metalli liquidi che aiuterà a studiare il comportamento del piombo liquido come refrigerante per i reattori nucleari veloci.
Il progetto, in cui l'EPSRC sta finanziando il coinvolgimento del Regno Unito, dovrebbe spingere i confini della conoscenza del comportamento dei metalli liquidi.
I reattori raffreddati a metallo liquido sono stati studiati per la propulsione marina, ma non per la generazione di energia, e non sono stati prodotti commercialmente.
I loro vantaggi sono le eccellenti proprietà di trasferimento del calore dei metalli liquidi, che consentono al nucleo del reattore di essere più compatto. I metalli liquidi possono essere riscaldati a temperature di centinaia di gradi centigradi senza la necessità di pressurizzazione come in un reattore ad acqua, il che li rende più sicuri per funzionare. La temperatura operativa più elevata aumenta l'efficienza termodinamica complessiva dell'impianto.
Il dott. Andrea Cioncolini, professore associato di idraulica termica nel dipartimento di ingegneria meccanica, aerospaziale e ingegneria civile dell'università, ha affermato che i reattori raffreddati a metallo liquido sarebbero più piccoli e più semplici da realizzare, in modo da poter costruire numerosi piccoli reattori anziché grandi unità su misura. I piccoli reattori modulari potrebbero avere nuclei prefabbricati di lunga durata che potrebbero funzionare per diversi anni prima di essere sostituiti.
Tuttavia, si sa poco sul comportamento del piombo liquido e in particolare sull'erosione e sulla corrosione dei materiali ad esso esposti ad alte temperature. L'indagine è resa più difficile dal fatto che il piombo non è trasparente.
L'allestimento del test sarà costituito da un recipiente cilindrico di circa 15 litri di capacità, che avrà campioni di test disposti intorno alla parete. Sarà riempito con piombo liquido e una girante a velocità variabile al centro genererà un flusso del metallo fino a 700 ° C, causando erosione.
I prodotti della corrosione potrebbero accumularsi sui campioni o in flussi più forti potrebbero essere rimossi e depositati altrove. "Idealmente vuoi produrre la minor corrosione possibile, e poi vuoi sapere dove verrà depositato", ha detto Cioncolini.
Il ruolo di Manchester, a partire da gennaio, sarà quello di intraprendere simulazioni computazionali di fluidodinamica, prima per informare il design dell'apparato e poi per aiutare a interpretare e analizzare i risultati.
Cioncolini ha affermato che a causa della difficoltà di eseguire misurazioni in piombo liquido, le misurazioni sperimentali sarebbero troppo "grossolane" per ottenere una piena comprensione, "quindi il CFD fornisce ulteriori dettagli sullo sviluppo del flusso e sul campo termico che non è possibile misurare direttamente".
Gli altri partner del progetto sono la Pittsburgh University, che costruirà e gestirà la struttura sperimentale; Argonne National Laboratory, che ha sviluppato tecniche ad ultrasuoni per "vedere" attraverso i metalli liquidi; Los Alamos National Laboratory ed ENEA, l'agenzia nazionale italiana per le nuove tecnologie, che hanno entrambe esperienza nella gestione di banchi prova con piombo liquido. Westinghouse Electric è il partner industriale e il coinvolgimento degli Stati Uniti è finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
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