р (Рассохин Н.Г - Парогенераторные установки атомных станций (1987)), страница 3

Вода — весьма коррознонно-активное вещество. Интенсивность коррозионных процессов при омывании водой различных конструкционных материалов зависит от температуры, наличия в воде растворенных примесей (твердых веществ и газов), концентрации свободных ионов водорода (рН) и некоторых других, менее существенных факторов. Коррозионные процессы, даже если они протекают с небольшими скоростями, загрязняют воду как растворенными, так и твердыми частицами, которые активируются в реакторе. Продукты коррозии, как правило, содержат элементы, нейтронное облучение которых приводит к возникновению долгоживущих радиоактивных нуклидов, Конструкционные материалы контура должны выбираться исходя из обеспечения допустимой интенсивности коррозионных процессов при минимальных капитальных н эксплуатационных затратах.

В единичных установках первого периода развития ядерной энергетики в качестве теплоносителя в ПГ был использован насыщенный водяной пар (на выходе из активной эоны реактора— пароводяная смесь). При использовании такого теплоносителя интенсивность теплопередачи очень высока, так как она происходит при конденсации пара. Вместе с тем все недостатки, указанные для воды, полностью относятся к ее насыщенному пару. Тяжелая вода по сравнению с обычной имеет существенно лучшие ядерно-физические свойства.

Применение тяжелой воды в качестве замедлителя нейтронов позволяет использовать в ядерном реакторе природный уран. Уменьшаются первоначальная загрузка топлива и ежегодное потребление его. Наибольшая экономия получается в том случае, если тяжелая вода используется и как замедлитель, и как теплоноситель. Однако стоимость тяжелой воды очень высока. В Советском Союзе, а также в большинстве стран, развивающих ядерную энергетику, тяжеловодные реакторы на АЭС не нашли применения, так как были созданы более рентабельные реакторы на обычной воде.

Но в некоторых странах, видимо, сложились условия, более благоприятные для разработки тяжеловодных установок, так как пока имеет место их развитие (главным образом, в Канаде). По своим физико-химическим свойствам тяжелая вода близка к обычной. Практически мало отличаются и ее теплофизические свойства. Так, критические температура и давление тяжелой воды равны соответственно 374,58'С и 22,2 МПа (обычной воды 374,1 С и 22,129 МПа). Давление насыщенного пара, плотность, теплопро- 21 водность, теплоемкость и вязкость тяжелой и обычной воды также близки. Следовательно, с точки зрения влияния свойств теплоносителя на конструкционное оформление ПГ нет основания в отдельности рассматривать обычную и тяжелую воду.

Органические теплоносители. Органические вещества, так же как и вода, являются водородсодержащими соединениями, что говорит об их хороших ядерно-физических свойствах. В отличие от воды они имеют сравнительно высокую температуру кипения при умеренных давлениях. В связи с этим понятен тот большой интерес, который был проявлен к ним как к возможным теплоносителям ядерной энергетической установки (ЯЭУ).

Опыт применения органических теплоносителей в обычных теплообменных установках показал их сравнительно высокую (до 450 С) стойкость к высоким температурам, но исследования в условиях ионизирующего излучения обнаружили склонность их к разложению и полимеризации. Разложение органических соединений под действием ионизирующего излучения и высоких температур (пиролиз) приводит к изменению их первоначальных свойств и во многих случаях сопровождается выпадением продуктов разложения в контуре. Волее или менее удовлетворительную стабильность при этих условиях имеют некоторые смеси полифенилов (при температурах 400 С и несколько больше), Физические и теплофизические свойства полифенилов хуже, чем воды; их плотность, теплоемкость н теплопроводность сравнительно малы, а вязкость высока.

При одинаковых скоростях движения полнфенилов и воды коэффициент теплоотдачи полифенилов меньше на 20 %. Затраты на перекачку теплоносителя для переноса одинаковых количеств тепла у полифенилов больше, чем у воды. Помимо худших теплопередающнх показателей следует иметь в виду необходимость предусматривать в контуре специальные установки для очистки теплоносителя от высокомолекулярных соединений, а для некоторых — и установки для перевода в жидкое состояние во время пуска. Органические теплоноснтели обладают многими положительными свойствами.

Они практически не взаимодействуют с конструкционнымн материалами контура, слабо активируются при прохождении через активную зону реактора. Возможность нагрева их до 400'С позволяет осуществить для среднего давления рабочею тела паросиловой цикл с заметным перегревом пара, что повышает термический КПД станции. Коррозионная инертность органических теплоносителей и незначительные давления в первом контуре позволяют применить для всего первого контура, кроме активной зоны реактора, элементы из углеродистой стали.

Этим можно достигнуть значительною удешевления и упрощения конструкции реактора, трубопроводов и ПГ. Однако к настоящему времени установлено, что существующие органические теплоиосители неконкурентоспособны' по отношению к воде не только для мощных АЭС, но и для установок малой мощности, главным образом из-за высокой температуры плавления и процессов полимеризации. 22 Жидкие металлы. Применение на АЭС жндкометаллических теплоносителей в настоящее время обусловливается необходимостью внедрения в ядерную энергетику реакторов на быстрых нейтронах, требующих высоких удельных теплосъемов в активной зоне. Одновременно обеспечиваются любые параметры паросилового цикла с использованием серийных турбин.

Жидкие металлы в отличие от других жидкостей имеют простую атомную структуру, практически не разлагаются под действием облучения и нагрева в активной зоне реактора. Их высокая температура кипения и низкое давление насыщенных паров не ограничивают температуру нагрева при самых малых давлениях в контуре. Жидкие металлы обладают весьма ценными теплофнзическими свойствами.

В первую очередь это относится к теплопроводности, которая выше, чем у воды, в 10 †1 раз. Поэтому интенсивность теплообмена для всех жидких металлов намного выше, чем для воды. Теплоемкость жидких металлов невысока, однако это не приводит к увеличению расхода теплоносителя, так как высокая интенсивность теплообмена позволяет получать значительную разность температур теплоносителя на входе в реактор и на выходе нз него. Верхний температурный предел применения жидких металлов ограничивается жаропрочностью конструкционных материалов.

По совокупности ядерно-физических, теплофизических и физико-химических свойств можно считать наиболее предпочтительными натрий, калий н их сплавы. Несмотря на существенные недостатки, такие, как высокая химическая активность по отношению к воде и воздуху и активация в реакторе [с образованием долгоживущего нуклида), наиболее эффективным жидкометаллическим теплоносителем все же является натрий. Натрий обладает самой высокой из всех теплоносителей теплопроводностью, ею плотность и вязкость такие же, как у воды, а теплоемкость выше, чем у других жидких металлов (кроме лития).

Калий практически по всем свойствам, кроме температуры плавления, уступает натрию. Эвтектические сплавы натрия с калием имеют температуру плавления существенно ниже, чем температура плавления самих металлов. Теплофизические свойства сплавов близки к свойствам чистых натрия и калия. Основное ухудшение свойств по сравнению с чистым натрием заключается в уменьшении теплопроводности.

Так, теплопроводность эквтектического сплава 14а — К (25 % Ха, 75 % К), температура плавления которого равна †11 'С, в 2,5 раза ниже, чем теплопроводность 1ча (а следовательно, примерно в 2,5 раза ниже интенсивность передачи тепла при прочих равных условиях). В связи с этим для всех осуществленных и строящихся АЭС в качестве жидкометаллического теплоносителя выбран натрий. й 2.3. ГАЗООБРАЗНЫЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛИ Специфика характеристик газообразных веществ вызывает противоречия при оценке их как теплоносителей ЯЭУ.

Первое, что привлекает к ним внимание — весьма хорошие ядерно-физические свойства. Незначительные сечения захвата тепловых нейтронов дают возможность использовать в реакторах необогащенный уран. Простые одноатомные газы (кроме азота и аргона) в активной зоне реактора не разлагаются и не активируются. Разложение н активация сложных многоатомных газов также незначительны. Физико-химические свойства газообразных веществ вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к теплоноснтелям, так как они не обладают химической активностью и коррозионноинертиы. По теплофизическим свойствам большинство газообразных веществ (кроме гелия и водорода) являются плохими тепло- носителями.

Теплоемкость, плотность и теплопроводность их очень малы. В соответствии с этим для отвода тепла необходимо прокачивать весьма большие объемы теплоносителя. Плохие тепло- передающие свойства затрудняют получение высоких температур на выходе из реактора из-за больших перепадов температуры между стенкой твэла и газом. Эта же причина вызывает необходимость обеспечения больших поверхностей теплообмена в реакторе и ПГ. Большие объемные расходы теплоносителя, значительные гидравлические сопротивления поверхностей теплообмена и газопроводов приводят к чрезмерным затратам энергии на перекачку теплоносителя. Воздух и азот. Эти теплоносители по эффективности теплообмена примерно одинаковы, ио они существенно активируются в реакторе с образованием радиоактивных вуклидов (аргона н азота). Водород мог бы быть лучшим теплоносителем в отношении теплопередающих свойств.

При малой плотности он имеет весьма большую объемную теплоемкость н самый большой для газов коэффициент теплопроводности. Однако его химическая активность (образование взрывоопасных соединений) не дает возможности рассматривать его практическое применение. Гелий — инертный газ, по своим теплопередающим свойствам он несущественно уступает водороду. Теплопроводность гелия на порядок выше теплопроводности других (кроме водорода) газов. В силу этого гелий при прочих равных условиях может воспринять большое количество тепла за счет увеличения разности температур на входе в поверхность теплообмена и выходе из нее. При одной из той же тепловой мощности площадь поверхности тепло- обмена, омываемой гелием, примерно на ЗО 70 меньше, чем прн использовании диоксида углерода.

Гелий — самый перспективный теплоноситель для высокотемпературных ЯЭУ, позволяющих получить высокие, сверхвысокие и закритические параметры. В настоящее время гелий рассматривается также как альтернативный по отношению к натрию теплоноситель для реакторов на быстрых 24 нейтронах. Однако это потребует освоения весьма высоких давлений и в первом контуре.