3.4.Теплоносители

Здесь имеются в виду теплоносители первого контура охлаждения реактора, т.е. непосредственно охлаждавшие твэлы.

Основные требования к материалам теплоносителей.

1. Должны иметь малые сечения захвата нейтронов на рабочем спектре реактора.

2. Должны обладать хорошими теплофизическими свойствами для обеспечения эффективного КПД.

3. Должны быть такими, чтобы расход энергии на прокачку был

мал.

4. Не должны быть коррозионно и эрозионно активными.

5. Должны мало активироваться излучениями реактора.

6. Должны быть устойчивыми в радиационных и тепловых потоках, т.е. не должны разлагаться под их действием.

7. Должны обеспечивать безопасную эксплуатацию установок (не взрываться, не быть токсичными и т.д.).

В качестве теплоносителей применяют обычную и тяжелую воду (H₂O, D₂O), газы (CO₂,Не и др.), жидкие металлы (Na, Li, K, Pb, Pb-Bi и др.).

ВОДА

Обычная и тяжелая вода различаются только ядерными свойствами, что важно при использовании их в качестве замедлителей, требования к которым обсуждаются далее. Во всем остальном свойства этих двух материалов абсолютно одинаковы. Поэтому как теплоноситель H₂O и D₂O совершенно идентичны (за исключением стоимости).

Вода имеет большую теплоемкость, поэтому требует приемлемую энергию на прокачку.

энергию на прокачку. Важное преимущество воды перед другими теплоно­сителями то, что она - единственное рабочее тело для турбин в паросиловом цикле. Следовательно, есть возможность создавать пар непосредственно в реакторе и подавать его на турбину.

Недостатки.

1. Вода очень коррозионно и эрозионно активна. Поэтому очень важно поддерживать водный режим (качество воды).

2. При возникновении трещины в твэле уран взаимодействует с водой.

3. Вода имеет (все-таки) низкую температуру кипения. Поэтому требует создания больших давлений в трактах, если требуется иметь хорошие параметры пара на турбине.

4. Являясь хорошим замедлителем, вода не может быть использова­на в реакторах на быстрых нейтронах.

5. Под воздействием облучения вода может подвергаться радиолизу (разложению на о и н).

6. Вода активируется в нейтронном потоке.

Обсудим последние два недостатка подробно. При радиолизе выделяются кислород и водород по схеме

2Н₂O↔2Н₂+О₂.

В результате, если не принять соответствующих мер, может образовать­ся гремучая смесь. Кроме того, образующийся кислород окисляет акти­вированные в активной зоне конструкционные материалы и может выно­сить их за пределы активной зоны.

На кислороде и водороде происходят следующие ядерные реакции с образованием радиоактивных изотопов:

Если в воде присутствуют даже следовые количества примесей в виде солей, то на натрии и кальции происходят такие ядерные реакции:

Здесь везде в скобках указаны периоды полураспада получающихся изо­топов.

Таким образом, видно, что в теплоносителе (воде) первого конту­ра, если даже в него не попадают осколки деления, скапливаются ради­оактивные вещества, в том числе газы.

At! Это требует кроме хорошей водоподготовки еще и дополни­тельных устройств: удалителей газов, устройств химводоочистки и т.п.

ГАЗЫ

Поскольку, в отличие от воды, газы сжимаемы и не кипят, ограни­чение температуры газов не связано с давлением. Она ограничивается только стойкостью самого газа и применяемых материалов. В ядерной энергетике, в основном, применяются углекислый газ (CO₂), водород и гелий. Достоинства газов как теплоносителей в том, что они

1. слабо активируются излучениями реактора и почти не корродируют (например, являясь нейтральным газом, Не вообще не вызывает коррозии и не активируется);

2. не замедляют (почти) нейтроны, т.е. могут использоваться в реакторах на быстрых нейтронах;

3. дают возможность получать высокие температуры (IOOO°c и выше) и соответственно иметь высокие КПД энергоустановки.

Недостатки газов состоят в том, что они

1. имеют низкую теплоемкость и теплоотдачу, поэтому чтобы увеличить плотность газа надо иметь в контуре высокие давления;

2. требуют больших затрат энергии на прокачку;

3. если являются теплоносителями в реакторах на тепловых нейтронах, то требуют, чтобы был отдельно замедлитель.

ЖИДКИЕ МЕТАЛЛЫ

Теплоносителями в ядерной энергетике, в принципе, могут быть следующие жидкие металлы (ЖМ); Na, K, Li, сплавы Na-K и Pb-Bi, ртуть.

Они не замедляют (почти) нейтроны и могут использоваться в любом типе реакторов. Теплофизические свойства (теплопроводность, теплоот­дача) неплохие, но теплоемкость похуже, чем у воды, поэтому требуют несколько большей энергии на прокачку. Самое главное достоинство-воз­можность получения больших температур термодинамического цикла при, практически, атмосферном давлении из-за высоких температур кипения.

Недостатки

1. М сильно окисляются, поэтому системы с ними требуют абсолютной герметичности

2. Na, к, Li бурно взаимодействуют с водой;

3. ХМ требуют сложных систем очистки и обогрева при остановленном реакторе:

4. Эвтектика Pb-Bi при активации излучениями реактора образует полоний, который очень Токсичен (ртуть вообще токсична);

5. в качестве газовых сред в компенсирующих емкостях ХМ требуют применения инертных газов.