مفاعل مبرد بالمعدن السائل

كان مفاعل كليمنتين أول مفاعل نووي مُبرّد بالمعدن السائل، واستخدم الزئبق كمبرد، والذي اعتُبر الخيار الأمثل لكونه سائلاً في درجة حرارة الغرفة. إلا أنه، وبسبب عيوبه، بما في ذلك سميته العالية، وضغط بخاره المرتفع حتى في درجة حرارة الغرفة، وانخفاض درجة غليانه مما ينتج عنه أبخرة سامة عند تسخينه، وانخفاض موصليته الحرارية نسبياً، ^{[ 2 ]} وارتفاع مقطعه العرضي للنيوترونات ، ^{[ 3 ]} فقد تراجع استخدامه.

لا يتسبب الصوديوم و NaK ( سبيكة يوتكتيكية من الصوديوم والبوتاسيوم) في تآكل الفولاذ بشكل ملحوظ، وهما متوافقان مع العديد من أنواع الوقود النووي، مما يتيح خيارات واسعة من المواد الإنشائية. وقد استُخدم NaK كمبرد في أول نموذج أولي لمفاعل التوليد، وهو مفاعل التوليد التجريبي-1 ، عام 1951.

يُعدّ الصوديوم مُعدِّلاً ضعيفاً للنيوترونات ، مما يسمح للمفاعل بالعمل بطيف نيوترونات سريع كما في المفاعل السريع المُبرَّد بالصوديوم . كما يُمكن استخدامه كمُبرِّد في المفاعل الحراري عند اقترانه بمُعدِّل منفصل مثل الجرافيت، كما في مفاعل الصوديوم الجرافيتي ( SGR ). وباعتبارها مفاعلات مُبرَّدة بالجرافيت، تسمح مفاعلات الصوديوم الجرافيتي باستخدام وقود اليورانيوم الطبيعي بدلاً من اليورانيوم المُخصَّب ، كما يسمح مُبرِّد الصوديوم فيها بالتشغيل عند درجات حرارة عالية، وبالتالي كفاءة حرارية عالية. ^{[ 4 ]} ولأن الصوديوم السائل يبقى تحت ضغط منخفض، فإن مفاعلات الصوديوم الجرافيتي تتجنب تكلفة وعاء ضغط المفاعل وأنظمة الأنابيب المُكلفة في مفاعلات الماء الخفيف . كما أنها تتميز بمعامل تفاعل حراري سلبي قوي وسريع للوقود ، مما يجعل التحكم في هذه المفاعلات سهلاً نسبياً. ^{[ 5 ]} تم تجربة مفاعلات SGR في خمسينيات القرن العشرين بدءًا من تجربة مفاعل الصوديوم ، لكنها سرعان ما فقدت شعبيتها بسبب مشاكل تتعلق بمبرد الصوديوم الخاص بها والمنافسة من تصميمات مفاعلات الماء الخفيف المنافسة. ^{[ 4 ]}

مع ذلك، يشتعل الصوديوم ومركب NaK تلقائيًا عند ملامستهما للهواء، ويتفاعلان بشدة مع الماء، منتجين غاز الهيدروجين. وقد حدث هذا في محطة مونجو للطاقة النووية خلال حادث وحريق عام 1995. كان الصوديوم هو سائل التبريد المستخدم في مفاعل التوليد التجريبي الثاني . وقد تم إثبات سلامته التامة عام 1986 أمام جمهور دولي مدعو. كما يُستخدم الصوديوم أيضًا في تبريد سلسلة مفاعلات BN الروسية وسلسلة مفاعلات CFR الصينية العاملة تجاريًا اليوم. ^{[ 6 ] [ 7 ]} يؤدي تنشيط الصوديوم بالنيوترونات أيضًا إلى جعل هذه السوائل شديدة الإشعاع أثناء التشغيل، على الرغم من أن عمر النصف قصير، وبالتالي لا يشكل إشعاعها مصدر قلق إضافي للتخلص منها.

هناك مقترحان لمفاعل الجيل الرابع من نوع LMFR المبرد بالصوديوم ، أحدهما يعتمد على وقود الأكسيد، والآخر على المفاعل السريع المتكامل الذي يعمل بالوقود المعدني .

سيكون مفاعل GE Vernova Hitachi PRISM المبرد بالصوديوم جزءًا من نظام Natrium الذي تقوم شركة TerraPower ببنائه في Kemmerer، وايومنغ .

يتمتع الرصاص بخصائص ممتازة في امتصاص النيوترونات (انعكاس، امتصاص منخفض)، وهو درع إشعاعي فعال للغاية ضد أشعة غاما . توفر درجة غليان الرصاص العالية مزايا أمان، إذ يمكنه تبريد المفاعل بكفاءة حتى لو ارتفعت درجة حرارته عدة مئات من الدرجات المئوية فوق ظروف التشغيل العادية. مع ذلك، ونظرًا لارتفاع درجة انصهار الرصاص وضغط بخاره، فإن إعادة تزويد المفاعل المبرد بالرصاص بالوقود وصيانته أمر معقد. يمكن خفض درجة الانصهار عن طريق مزج الرصاص بالبزموت ، لكن خليط الرصاص والبزموت المتجانس شديد التآكل لمعظم المعادن ^{[ 8 ] [ 9 ]} المستخدمة في المواد الإنشائية. تؤدي الكثافة العالية للرصاص ولزوجته إلى ارتفاع تكلفة الضخ، مما يقلل من الكفاءة الإجمالية للنظام. ينتج عن امتصاص النيوترونات في الرصاص والبزموت نظائر مشعة ذات أعمار نصف طويلة نسبيًا. أخطر هذه النظائر هو البولونيوم-210، الذي استُخدم لتسميم ألكسندر ليتفينينكو في 1 نوفمبر 2006.

يسمح مزيج الرصاص والبزموت بالتشغيل في درجات حرارة منخفضة مع منع تجمد سائل التبريد المعدني في نطاق درجات حرارة منخفضة ( نقطة الانصهار : 123.5 درجة مئوية / 255.3 درجة فهرنهايت) . ^{[ 8 ] [ 10 ]}

إلى جانب طبيعته شديدة التآكل، ^{[ 8 ] [ 9 ] فإن} عيبه الرئيسي هو تكوين 209 عن طريق التنشيط النيوترونيBi (وما يتبعه من اضمحلال بيتا ) ²¹⁰Po ( T _{1 ⁄ 2} = 138.38 يومًا)، وهو باعث ألفا متطاير شديد السمية الإشعاعية (أعلى سمية إشعاعية معروفة ، أعلى من سمية البلوتونيوم ).

على الرغم من أن القصدير لا يستخدم اليوم كمبرد للمفاعلات العاملة لأنه يشكل قشرة، ^{[ 11 ]} إلا أنه يمكن أن يكون مبردًا إضافيًا أو بديلًا مفيدًا في الكوارث النووية أو حوادث فقدان المبرد . ^{[ 12 ]}

استخدمت الغواصة السوفيتية من فئة نوفمبر K-27 وجميع الغواصات السبع من فئة ألفا مفاعلات مبردة بمزيج الرصاص والبزموت المهدئ بالبريليوم كأنظمة دفع لها. ( مفاعلات VT-1 في K-27 ؛ ومفاعلات BM-40A و OK-550 في الغواصات الأخرى).

كانت الغواصة النووية الثانية، يو إس إس سي وولف،  الغواصة الأمريكية الوحيدة التي زُوّدت بمحطة طاقة نووية مُبرّدة بالصوديوم ومُهدّأة بالبريليوم. دخلت الخدمة عام ١٩٥٧، لكنها عانت من تسريبات في مُسخّناتها الفائقة ، والتي تم تجاوزها. ولتوحيد المفاعلات في الأسطول، أُزيل مفاعل الغواصة المُبرّد بالصوديوم والمُهدّأ بالبريليوم ابتداءً من عام ١٩٥٨، واستُبدل بمفاعل يعمل بالماء المضغوط .

قامت شركة برات آند ويتني بدراسة المفاعلات المبردة بالمعدن السائل لاستخدامها في الطائرات النووية كجزء من برنامج الدفع النووي للطائرات . ^{[ 13 ]}