Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

Гелий. Весьма перспективным теплоносителем для реакторов на быстрых нейтронах является гелий. Гелий — бесцветный газ, не имеющий запаха. Он является благородным газом и в хи­ мическом отношении крайне инертен. Гелий легчайший из инерт­ ных газов и самый легкий после водорода из всех известных газов. По своим ядерным и физико-химическим свойствам гелий является одним из наиболее подходящих газовых теплоносите­ лей. Наибольшим сечением захвата обладает изотоп 3 Не. Со­ держание этого изотопа в природном гелии мало и составляет ІО- 7 —10~6%. Наведенная активность чистого гелия практически отсутствует. В реальных условиях активность гелиевого тепло­ носителя обусловлена примесями, в том числе продуктами де­ ления. Чаще всего гелий загрязнен азотом и аргоном. Но даже наличие примесей не вызывает существенной наведенной радио­ активности гелия. Очистка гелия от радиоактивных примесей может осуществляться на активированном древесном угле.

В условиях, имеющих место в реакторе с гелиевым теплоно­ сителем, свойства последнего близки к свойствам идеального газа. Теплоемкость гелия ниже, чем у углекислого газа. Для аккумуляции значительного количества тепла в гелии необхо­ димо иметь большой перепад температуры на входе в активную зону и выходе из нее. Это обстоятельство усложняет примене­ ние гелия в качестве теплоносителя. Теплопроводность гелия в 10 раз больше, чем углекислого газа. Это свойство облегчает теплоотдачу, уменьшает габариты теплообменников, делает ге­ лий перспективным для заполнения кладки канальных реакто­ ров. Гелий крайне текуч. Даже при современном уровне тех­ ники создание систем, герметичных по гелию, представляет труд­ ную задачу. При выборе гелия в качестве теплоносителя следует учитывать и высокую его стоимость.

Сам гелий не вызывает окисления реакторных материалов. Загрязнение его кислородом, углекислым газом, парами воды приводит к коррозии металлов и сплавов. Для предотвращения этого явления общее содержание примесей в гелии не должно превышать 0,01%. Загрязнение гелия (кислородом может при­ вести к переносу углерода по контуру за счет образования угле­ кислого газа и его диссоциации.

Воздух. Применение воздуха в качестве теплоносителя тре­ бует тщательной его осушки. При относительной влажности воз­ духа выше 9% все конструкционные материалы, за исключением нержавеющей аустенитной хромоникелевой стали, интенсивно корродируют. При работе с воздухом в качестве теплоносителя по разомкнутой схеме возникает опасность активирования воз­ духа за счет присутствующего в воздухе аргона.

Диссоциирующие газы. Применение в качестве теплоноси­ теля диссоциирующих газов N2 0 4, А12 С1б, А12 Вг6 и др., а также

их смесей позволяет улучшить общие технико-экономические по­ казатели ядерных энергетических установок, в частности, за счет улучшения весовых и габаритных характеристик основного оборудования и в первую очередь уменьшить металлоемкость газовых турбин при большой их единичной мощности. Высокие теплофизические показатели диссоциирующих теплоносителей обеспечивают высокий коэффициент полезного действия, высо­ кий коэффициент теплоотдачи, что снижает габариты теплиобмениого оборудования. При использовании диссоциирующих га­ зов, в частности N2 O4 , в качестве теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах могут быть получены лучшие показатели активных зон, чем в случае применения натрия.

Применение диссоциирующих газов в качестве теплоносителя и рабочего тела в реакторах на быстрых нейтронах позволит снизить давление, необходимое для достижения эффективного теплообмена, с 200—250 ат, которое имеет место в случае при­ менения гелия и водяного пара, до 80—140 ат в случае N2 O4 .

При использовании диссоциирующих газов в качестве рабо­ чего тела в замкнутом газотурбинном цикле газ исходного со­ стояния с наибольшим молекулярным весом (с минимальной га­ зовой постоянной) сжимается в компрессоре, нагревается в ре­ генераторе и реакторе до максимальной температуры цикла. При этом происходит диссоциация газа с поглощением тепла на про­ текание химической реакции с уменьшением молекулярного веса (при увеличении числа молей и газовой постоянной до макси­ мального значения). При расширении в турбине газ, охлаждаясь в регенераторе и холодильнике, рекомбинирует с выделением тепла при химической реакции и изменением числа молей и га­ зовой постоянной до минимального значения. Далее газ посту­ пает в компрессор, сжимается, и цикл повторяется. Большая газовая постоянная рабочего тела в турбине по сравнению с ее величиной в компрессоре позволяет уменьшить долю мощности, затрачиваемую на сжатие газа в компрессоре, до 30—45%.

Температурный интервал протекания реакций диссоциации при 1 ат 26—850°, при 100 ат 25—1200°.

Изменение скорости потока от 10 до 25 м/ч очень мало увеличи­ вает скорость коррозии. Со временем скорость коррозии стали 1Х18Н10Т уменьшается. Так, с увеличением экспозиции со 1 0 0

до 10000 ч скорость коррозии снизилась почти в 100 раз. Ско­ рость коррозии растет с увеличением давления до 50 ат. С даль­ нейшим увеличением давления стойкость аустенитной нержаве­ ющей стали практически не меняется. Преимущественная кор­ розия сварных швов не наблюдается. Аналогичным образом ве­ дут себя хромистые нержавеющие стали, упрочненные аустенит­ ные нержавеющие стали, сплавы титана.

Существенно ниже в этих условиях стойкость сталей перлит­ ного класса. Скорость коррозии их при температуре 500° и дав­ лении 50 ат составляет 0,05 г/ (м2 • ч). При температуре 200° и давлении до 50 ат скорость коррозии высокопрочных алюминие­ вых сплавов составляет (ІЧ-5) • ІО-2 мм/год. Повышение давле­ ния от 20 до 50 ат увеличивает скорость коррозии сплавов алю­ миния в 10 раз.

§ 4. 4

Водный теплоноситель

Особенности водного теплоносителя. В реакторах на тепло­ вых нейтронах в качестве теплоносителя часто используют воду, причем вода может служить не только теплоносителем, но и за­ медлителем. Сечение поглощения воды составляет 0,6 барн. Теплофизические свойства воды во всем интервале температур и давлений, представляющих интерес для ядерной энергетики, хорошо изучены. Значительный вклад в исследование этого воп­ роса внесли советские ученые М. А. Стырикович, М. П. Вукаловнч и другие.

Самым неприятным теплофизическим свойством воды явля­ ется высокое давление насыщенных паров, величина которого быстро растет с температурой. Это обстоятельство требует соз­ дания контуров, рассчитанных на высокое давление, что, есте­ ственно, удорожает установки и затрудняет их эксплуатацию.

Основным требованием, предъявляемым к обычной воде в ядерной энергетике, является ее чистота. В ряде случаев в воду добавляют те или иные вещества, как правило, либо для уменьшения ее коррозионной агрессивности, либо для подавле­ ния радиолиза. При проектировании ядерных энергетических установок с водным теплоносителем значительное место уделя­ ется качеству воды, т. е. водному режиму реактора. Состав во­ ды, количество допустимых примесей определяются технически­ ми условиями или нормами на воду заполнения, подпитки и контурную воду. При этом обычно нормируют следующие по­ казатели: 1) солесодержание (электропроводность); 2) сухой остаток; 3) величину pH; 4) содержание кислорода; 5) жест­

98 Г л . 4. Теплоносители

зии железа приводит к образованию накипи на поверхности твэлов, перегреву и выходу их из строя. В связи с этим содер­ жание этих веществ в воде должно строго контролироваться и поддерживаться на-минимальном уровне.

В двухконтурных реакторах теплоносителем является вода под давлением. В кипящих же реакторах из активной зоны вы­ ходит пароводяная смесь. В большинстве ныне действующих кипящих реакторов давление на выходе из активной зоны со­ ставляет 70—80 ат. При этом давлении растворимость хлоридов в паре невелика. При кипении происходит концентрирование хлоридов в водной фазе, содержание хлорид-иона при этом до­ стигает 0,1 мг/кг. Снижение концентрации хлоридов достигается продувкой и очисткой контурной воды. Наряду с хлоридами в зоне кипения увеличивается концентрация продуктов корро­ зии. Это обстоятельство приводит к интенсификации процесса отложения солей на поверхности твэлов. В связи с этим твэлы кипящих реакторов необходимо периодически очищать от отло­ жений.

Отсепарированный насыщенный пар, даже содержащий кис­ лород, не является агрессивной коррозионной средой по отно­ шению к сталям перлитного класса. Опасен в этом отношении конденсат греющего пара, содержащий значительное количество кислорода. В цилиндре низкого давления влага, содержащаяся

впаре, может вызвать эрозию лопаток.

ВСоветском Союзе впервые осуществлен ядерный перегрев пара до температуры 510° при давлении 130 ат. При этом давле­ нии растворимость хлоридов в паре велика и отсутствует опас­ ность концентрирования их на оболочках твэлов при досыхании и перегреве пара в пароперегревательных каналах.

Тяжелая вода DjO по сравнению с обычной водой обладает несколько худшей способностью замедлять быстрые нейтроны, однако она почти не поглощает тепловых нейтронов. Поэтому

тяжелая вода является лучшим замедлителем ядерных реакто­ ров на тепловых нейтронах. Естественно, тяжелая вода может применяться и как теплоноситель (табл. 4.9). Содержание тя­ желой воды в природной воде составляет 0,017%, что соответст­ вует одной тяжелой молекуле на 7000 молекул обычной воды. Для получения тяжелой воды наиболее широкое промышлен­ ное применение получили три способа: электролиз, дистилляция и химический обмен. Присутствие обычной воды в тяжелой ухудшает ее свойства как замедлителя, т. е. примесь легкой во­ ды в тяжелой является нежелательной. Однако высокая стои­ мость чистой тяжелой воды заставляет использовать в ядерных реакторах более дешевую тяжелую воду, содержащую около 10% обычной воды в качестве примеси. Растворимость солей в тяжелой воде примерно на 10% меньше, чем в обычной.