液态金属驱动先进核能系统：清洁能源转型的关键技术

本文聚焦液态金属(LM)在先进核能系统中的应用挑战与前景。针对第四代快堆中钠(Na)、铅铋共晶合金(LBE)等冷却剂存在的腐蚀、多相流耦合等难题，研究团队系统分析了液态金属在热传输、材料兼容性及安全性能方面的突破。通过多物理场耦合模型揭示了氧化腐蚀产物对燃料组件性能的影响，开发了超声波测量等创新技术监测两相流行为。成果发表于《The Innovation》，为实现低碳、可持续的核能系统提供了关键技术支撑，特别是在核废料嬗变和小型模块化反应堆领域展现出独特优势。

　　

在全球气候变暖和能源转型的背景下，核能因其低碳特性成为清洁能源体系的重要支柱。然而，传统核能系统面临冷却效率不足、核废料处理困难等挑战。液态金属凭借优异的导热性和高温稳定性，被视作突破这些瓶颈的关键材料——它们不仅能将反应堆出口温度提升至500°C以上，还能通过快中子谱实现核废料的嬗变处理。但液态金属与结构材料的腐蚀、与水的剧烈反应等安全问题，严重制约着其工程应用。

为攻克这些难题，上海交通大学核科学与工程学院Xiaojing Liu团队在《The Innovation》发表了系统性研究。通过建立中子-热工水力-材料多物理场耦合模型，首次量化了铅铋共晶合金(LBE)中氧化腐蚀产物对燃料组件性能的影响。创新性地开发了基于超声波的液态金属两相流测量技术，实现了对气泡迁移行为的实时监测。实验发现，在铅铋合金中添加1%氧可形成保护性Fe₃O₄氧化层，使腐蚀速率降低80%。

热传输优化

研究对比了Na、LBE等冷却剂的普朗特数(Pr)差异，发现NaK共晶合金在19棒束中的努塞尔数(Nu)比纯钠高35%。通过设计仿生微通道和螺旋绕丝结构，使传热系数提升至4000 W/m²/K，满足聚变堆偏滤器10 MW/m²的热负荷需求。

材料兼容性

铅基冷却剂对T91钢的年腐蚀深度达2 mm，团队开发的Al涂层和FeCrAlY高熵合金涂层可将腐蚀速率控制在0.1 mm/年以下。通过固态PbO溶解技术，实现了非等温回路中氧浓度的动态调控。

安全机制创新

在蒸汽发生器传热管破裂(SGTR)事故中，首次可视化观察到LBE-水相互作用产生的气泡迁移规律。建立的SIMMER-III程序准确预测了压力波动幅度，误差小于15%。针对铅基冷却剂凝固风险，提出的轴向定向凝固方案使管道堵塞概率降低90%。

这项研究为第四代核反应堆和聚变工程提供了关键技术路线：在裂变领域，液态金属冷却剂可使铀资源利用率提升60倍；在聚变领域，液态锂壁面能实现氚增殖率TBR>1.1。特别值得注意的是，液态金属与储热材料的结合，有望解决可再生能源间歇性难题。研究团队正在开发人工智能驱动的等离子体-液态金属耦合控制系统，这将为未来核能-可再生能源混合系统奠定基础。

主要技术方法包括：1) 在KTH铅铋实验环路上进行氧控制验证；2) 采用超声渡越时间技术(UTTT)测量气泡运动；3) 利用上海交大LIJI平台开展LBE-水相互作用实验；4) 通过脉冲中子成像观测三维凝固界面。

关键结论

1. 1.

   液态金属纳米流体可将传热系数提升至传统水基流体的3.4倍

2. 2.

   动态锂壁面在EAST装置中实现97.32%的等离子体覆盖率

3. 3.

   双冷却铅锂(DCLL)包层使聚变堆出口温度达700°C

4. 4.

   模块化铅冷快堆可与风电/光伏组成100%可再生能源系统

这项研究标志着我国在先进核能技术领域取得重大突破，其中液态金属氧控制技术已应用于CLEAR-I铅铋实验堆。未来工作将聚焦于：1) 开发抗辐照-腐蚀协同涂层；2) 建立液态金属数据库；3) 推动小型堆在深海/太空等极端环境的适用性。这些进展将为全球"双碳"目标提供关键技术支撑。