Характеристики теплоносителей для яппу
Лекция №6
Характеристики теплоносителей для яппу
Выбор теплоносителя для АЭС является одной из важнейших задач. Теплоноситель определяет нейтронно-физические процессы в реакторе, его свойства определяют верхние достижимые параметры пара (с увеличением начальных параметров пара перед турбиной увеличивает КПД АЭС) и интенсивность теплопередачи.
С ростом коэффициента теплопередачи k, который определяется значением теплофизических свойств cp, l, n, m, скоростью теплоносителя и развитостью ПТО (т.е. шероховатость сгибы), уменьшается поверхность теплообмена FПТО, соответственно уменьшаются и затраты на ПГ
Теплоноситель различают: высокотемпературный;
среднетемпературный;
низкотемпературный.
При выборе теплоносителя учитываются четыре группы свойств:
1. нейтронно-физические:
Рекомендуемые материалы
1.1. малое сечение захвата;
1.2. большое сечение рассеяния для ядерных реакторов на тепловых нейтронах и малое сечение рассеяния для ядерных реакторов на быстрых нейтронах;
1.3. по возможности малое сечение активации sg+sr;
2. теплофизические (для отвода тепла из ядерного реактора и отдачи в ПГ):
2.1. высокие cp, l, a. При повышение теплоемкости cp можно уменьшить расход теплоносителя G при тех же самых мощностях ядерного ректора. При повышении коэффициента теплопроводности l и коэффициента температуропроводности а, можно увеличить коэффициент теплоотдачи a, следовательно, и коэффициент теплопередачи k следовательно, уменьшить площадь поверхности теплообмена FПТО соответственно снизить затраты;
2.2. малое давление насыщенных паров p2 при высоких рабочих температурах t2;
2.3. малые динамическая m и кинематическая n вязкости, что позволить понизить мощность главного циркуляционного насоса NГЦН и потери давления DP2;
3. физико-химические:
3.1. слабое взаимодействие с конструкционными материалами активной зоны и ПГ, что позволяет уменьшить электрохимическую коррозию и уменьшить растворимость присадок (т.е. отдельных составляющих конструкционных материалов, свойства которых со временем изменяются из-за вымывания из них химических элементов) ;
3.2. теплоноситель должен быть слабым растворителем, чтоб в теплоносителе не накапливались примеси способные вызвать солеотложения на ПТО;
3.3. теплоноситель должен слабо химически взаимодействовать с водой, водяным паром, воздухом;
4. технико-экономические:
4.1. теплоноситель должен быть достаточно распространенным веществом в природе;
4.2. теплоноситель не должен дорого стоить;
4.3. теплоноситель должен легко поддаваться очистке.
Виды теплоносителей и их свойства
Вода
Нейтронно-физические свойства
Вода обладает малым сечением захвата sа и большим сечение рассеяния ss, что позволяет снизить обогащение ядерного топлива. Слабая активация. У воды есть три вида активности:
1. Собственная наводимая активность. O16®O17®(b около 7сек)®N17
2. Примесная наводимая активность. Вода является хорошим растворителем и способна вымывать легирующие добавки из конструкционных материалов. В воде растворяются C0, Fe, Cr, Mg, Mn, V в следствие чего образуются долгоживущие изотопы, которые откладываются внутри ГЦН, внутри ПГ появляются активность из-за этих отложений. Например, Co60 сам по себе являются b и g источниками с периодом полураспада T1/2=5,27 лет/
3. Осколочная активность. Небольшой процент негерметичных твэлов позволяет выйти продуктам деления в теплоноситель. В основном они находятся в жидком и газообразном состоянии. Они подвергаются дальнейшему радиоактивному распаду, превращаясь в иные химические элементы (возможно превращение даже в твердые химические элементы). Теплоноситель контролируется на активность и при достижении некоторой активности ядерный реактор подлежит остановке.
Вода подвергается разложению в результате радиолиза в нейтронном потоке. Радиолиз обратим.
H2O«H++OH– « H2O, H2O2, H2O4, - т.е. химически активные радикалы.
Теплофизические свойства
Теплоемкость 
. Это самая высокая теплоемкость из всех существующих в природе, следовательно, при QЯР=const, можно снизить расход G и температурный перепад Dt.
Из отрицательных качеств можно назвать: малая теплопроводность, высокие коэффициенты кинематической n и динамической вязкости m. Температура при давлении насыщения ps, следовательно, давление рабочего тела должно быть еще больше.
| T, 0C | 99,6 | 347,1 | t возросла в 3 раза |
| ps, МПа | 0,1 | 22,11 | p возросло в 200 раз |
Физико-химические свойства
Вода коррозионно агрессивна, является хорошим растворителем,
Технико-экономические свойства
Вода дешева и широко распространена в природе, однако, требуются затраты на предварительную очистку.
Тяжелая вода
Практически равноценна по всем свойствам кроме нейтронно-физичеких. Позволяет применять необогащенный уран [природный уран 0,7% U235, ядерное топливо для ВВЭР должно быть обогащено до 3,5¸4% U235]. Однако, по технико-экономическим свойствам она уступает обычной воде.
Сравним коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции для H2O и Д2O
|
| 0,3 | 1 | 5 |
|
| 2×103 | 5×103 | 2×103 |
Сравним основные теплофизические свойства для различных теплоносителей.
| Вещество | Параметры состояния | Ср
| l
| m×106
| n×106
| |
| Р, МПа | t1, 0С | |||||
| Вода | 10 16 | 260 300 | 4,902 5,500 | 0,612 0,559 | 104,3 91,7 | 0,132 0,126 |
| Na 25%Na+75%K | 1 1 | 500 500 | 1,273 0,884 | 63,8 28,4 | 239,0 201,0 | 0,289 0,267 |
| He CO2 | 1 2 | 600 500 | 5,204 1,162 | 0,333 0,055 | 40,7 33,98 | 75,3 2,54 |
| Органические жидкости | 1 | 400¸450 | £0,8 | £0,5 | >150 | >0,2 |
Органические жидкости [Si, O, H, C, OH]
Нейтронно-физические свойства
COH может применяться в качестве теплоносителя в ядерных реакторах на тепловых нейтронах. Обладает высоким сечением рассеяния sS. С увеличением кислорода О сечение поглощения может быть выше чем у воды, следовательно, можно использовать топливо с меньшим обогащением. Еще одним плюсом является то, что органические жидкости не активируются (кроме собственной активации), являются плохими растворителями, следовательно, мала осколочная и примесная активность.
Однако, на ряду со всеми плюсами органические жидкости обладают и отрицательными качествами. Они склонны к разложению и полимеризациии под действием нейтронного потока, т.е. возникают постоянные затраты на теплоноситель, сложные очистители для выведения полимерных сгустков.
Органические теплоносители, как и вода подвергаются разложению в результате радиолиза.
Теплофизические свойства
Теплофизические свойства хуже, чем у воды т.к. теплоемкость сp ниже, следовательно, выше расход G, и температурный перепад больше, чес у ВВЭР.
При снижении температуры выхода из ядерного реактора t1, возрастает плотность теплового потока, которая может превысить критическое значение и возникни кризис теплообмена I рода.
Малое давление насыщения ps при средних t=400-4500C
Физико-химические свойства
Органические жидкости коррозионно не агрессивны:
Вместе с этой лекцией читают "Часть 4".
q не являются растворителями примесей;
q не взаимодействуют с конструкционными материалами, водой, воздухом.
Технико-экономические свойства
Стоимость данного теплоносителя ниже, чем у натрия Na. Затраты на парогенератор и ядерный реактор ниже.
В итоге получаем, сто при малых давлениях первого контура р1=10 бар и t1=450 0C имеем параметры перед турбиной р0=90 бар и t0=4000C.Следовательно, повышается КПД h и падают затраты на паротурбинную установку из-за снижения давления во втором контуре.
Также в качестве теплоносителей используются полифинилы – органические вещества. Они обладают высокой температурой плавления, полимеризацией, и им свойственно под действием излучения подвергаться разложению, что является минусами данного теплоносителя. Безусловным плюсом является то, что отсутствует коррозия, следовательно, контур можно выполнить из углеродистой стали, что снизит стоимость парогенераторов.
