Стартовая >> Архив >> Генерация >> Материалы ядерных энергетических установок

Материал теплоносителя - Материалы ядерных энергетических установок

Оглавление
Материалы ядерных энергетических установок
Ядерная энергия и материалы
Легководный реактор LWR
Тяжеловодный реактор HWR
Реактор типа LMFBR
Перспективы использования термоядерной энергии
Радионуклидное производство энергии и ее использование
Требования, предъявляемые к выбору ядерных материалов
Свойства реакторных материалов
Анализ специфических свойств материалов при их выборе для ядерных реакторов
Выбор материалов и анализ конструкции с помощью ЭВМ
Компоненты и материалы ядерных реакторов деления
Ядерные топливные материалы
Конструкционные материалы
Материалы органов регулирования, теплоносители
Материалы защиты, системы аварийной защиты
Атомная электростанция (с реактором деления)
Фундаментальные радиационные явления в материалах
Радиационное повреждение нейтронами
Влияние облучения на реакторные материалы
Влияние облучения на физические свойства материалов
Влияние облучения на механические свойства материалов
Влияние облучения на коррозию, свелинг
Отжиг радиационных повреждений, влияние облучения на свойства при низких температурах
Металлический уран
Коррозия урана
Сплавы урана
Влияние облучения на урановое топливо
Керамический уран
Диоксид урана
Радиационное распухание оксидного топлива
Радиационная ползучесть оксидного топлива
Выделение газообразных продуктов деления из оксидного топлива
Монокарбид урана
Нитрид, силицид и сульфиды урана
Коррозия керамического урана, техника безопасности
Плутоний
Металлические сплавы плутония
Керамические соединения плутония
Смешанное керамическое уран-плутониевое топливо
Коэффициент воспроизводства, избыточный коэффициент и время удвоения плутония
Радиационные эффекты плутония
Коррозионные эффекты плутония
Меры безопасности при работе с плутонием
Торий
Свойства тория
Получение и сплавы тория
Керамические соединения тория
Радиационные и коррозионные эффекты тория
Радиоактивный распад в торий-урановом топливном цикле
Конструкционные материалы: металлы
Конструкционные материалы: бериллий и его соединения
Конструкционные материалы: магний
Конструкционные материалы: алюминий
Конструкционные материалы: цирконий
Конструкционные материалы: нержавеющая сталь и никелевые сплавы
Конструкционные материалы: керамика и керметы
Влияние облучения на конструкционные материалы
Коррозия конструкционных материалов
Материалы замедлителя и отражателя
Графит
Материал бланкета
Материал теплоносителя
Материалы систем регулирования, защиты и аварийной защиты
Защита реактора
Системы аварийной зашиты реактора и используемые в них материалы
Материалы в топливных циклах, процессах обогащения и переработки топлива
Обогащение топлива
Переработка топлива
Материалы, используемые в процессах переработки отработавшего топлива
Переработка ядерного топлива
Топливные материалы, участвующие в U-Pu-топливном цикле
Тепловыделяющие элементы
Связующий материал твэлов
Материалы, применяемые при изготовлении твэлов
Каналы для теплоносителя и системы трубопроводов
Корпуса реакторов под давлением
Радиационные эффекты при работе материалов ядерного топлива и конструкционных материалов
Коррозия и трещины материалов твэлов, коррозия каналов теплоносителя
Образование коррозионных и усталостных трещин и течей в каналах для теплоносителей, трубопроводах
Материалы радионуклидных генераторов энергии и термоядерных реакторов
Радионуклидное топливо
Материалы оболочек, материалы и теплоносители радионуклидных генераторов
Концептуальные проекты термоядерных реакторов
Компоненты и материалы термоядерных реакторов
Материалы для изготовления магнитной системы и системы безопасности термоядерных реакторов
Взаимодействие материалов с первой стенкой термоядерного реактора
Материалы первой стенки термоядерного реактора и влияние на них облучения

Так как основное назначение теплоносителя - отводить и утилизировать тепло, выработанное в ходе ядерной реакции, первостепенным требованием к теплоносителю является наличие хороших теплопередающих свойств. Основными компонентами, определяющими качество теплопередачи, являются высокие удельная теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплопередачи при конвекции, высокая точка кипения, низкая точка плавления, низкие плотность и вязкость и минимальная агрессивность при повышенных температурах. В общем случае требования предъявляются к теплофизическим, нейтронно-физическим, физическим и химическим свойствам каждого теплоносителя реактора.
Идеальный теплоноситель должен обладать следующими свойствами: хорошими теплофизическими  свойствами (см. выше); на его прокачку должно затрачиваться минимум энергии; низкой точкой плавления и высокой точкой кипения; термической стабильностью; устойчивостью к облучению; малым сечением захвата и удовлетворительным сечением рассеяния нейтронов; нетоксичностью, малой наведенной активностью; чистотой и малой агрессивностью: низкой вязкостью; совместимостью с топливными и конструкционными материалами; удобством и безопасностью в обращении; доступностью и экономичностью производства. Хотя газообразные теплоносители CO2 и 4Не, применяемые в газоохлаждаемых реакторах, и жидкие теплоносители H2 О, D2O и Na (или NaK), применяемые соответственно в легководных, тяжеловодных и жидкометаллических реакторах, обладают многими из перечисленных свойств, ни один из них не удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям.
Теплоноситель должен обладать термической и радиационной стабильностью, когда он циркулирует в активной зоне и в петлях системы охлаждения реактора. Малое поглощение нейтронов требуется для тепловых реакторов. Для быстрых реакторов-размножителей данная характеристика не столь важна, так как сечения захвата быстрых нейтронов обычно малы. Нетоксичность, безвредность и малая наведенная активность необходимы для безопасной работы АЭС. Высокая чистота, небольшая агрессивность и низкая вязкость теплоносителя необходимы для обеспечения минимальной коррозии материалов реактора и совместимости теплоносителя с топливными конструкционными материалами. Удобство и безопасность в обращении, доступность и экономичность производства теплоносителя вносят весомый вклад в безопасность и экономичность работы АЭС.
Наиболее важные нейтронно-физические и теплофизические свойства основных газообразных и жидких теплоносителей приведены в табл. 11.5.
Таблица 11. 5. Ядерно-физические, физические и тепловые свойства основных теплоносителей



11.5.1. Газовые теплоносители: гелий и диоксид углерода. Исходя из термической и радиационной стабильности, простоты в обращении, доступности и экономичности использования, казалось бы, воздух является наиболее естественным реакторным теплоносителем. Воздух, однако, обладает плохими характеристиками теплопередачи. Кроме того, он требует больших энергозатрат на прокачку в системе охлаждения. При высоких температурах основные компоненты воздуха, кислород и азот, воздействуют на графитовые замедлитель и конструкционный материал газоохлаждаемого реактора.
Гелий в отличие от воздуха инертный газ. Он обладает относительно хорошими характеристиками теплопередачи и требует меньших затрат на прокачку в сравнении с воздухом и CO2 благодаря более низкой плотности (см. табл. 11.5). Кроме того, гелий термически и радиационно стабилен, имеет малое сечение поглощения нейтронов, малую наведенную активность, обладает малой агрессивностью, хорошо совместим с топливом и конструкционными материалами, удобен в обращении. Гелий используется в качестве теплоносителя в HTGR и AGR. Стоимость гелия, однако, высока. Поэтому гелий должен циркулировать в замкнутой системе охлаждения или петлях. Для снижения энергозатрат на прокачку гелия в системе охлаждения применяют высокое давление. Таким образом, возникает проблема предотвращения утечки гелия из контура циркуляции высокого давления в HTGR и AGR.
Выбор диоксида углерода в качестве теплоносителя реакторов типа Calder Hall основывался на соображениях безопасности. Диоксид углерода обладает хорошими характеристиками теплопередачи, термической и радиационной стабильностью, малой наведенной активностью, низкой агрессивностью, удовлетворительной совместимостью с топливом, графитовыми замедлителем и конструкционным материалом.  При высоких температурах CO2 реагирует с графитовым замедлителем реактора:

(11.7)
Реакция CO2 с графитовым замедлителем хорошо изучена. Типичная зависимость равновесной концентрации СО от температуры и давления приведена на рис. 11.15. Высокое давление, применяемое для улучшения характеристик CO2, позволяет снизить концентрацию СО в реакторе.

  1. Жидкие теплоносители: вода, литий, натрий. В общем случае характеристики теплопередачи жидких теплоносителей (особенно натрия), применяемых в различных ядерных реакторах, значительно выше, чем газообразных. Для увеличения энергонапряженности (или сокращения объема реактора) применяются жидкие теплоносители.

Вода: легкая и тяжелая. Вода состоит из легкой (обычной) воды H2O и тяжелой воды D2О. Легкая вода служит теплоносителем в LWR, а тяжелая вода — в тяжеловодных реакторах HWRh в некоторых специальных аппаратах, например в экспериментальном реакторе Halden в Норвегии [13]. И H2O, и D2O используются в качестве замедлителя и теплоносителя в реакторах LWR и HWR соответственно.


Рис. 11.15. Зависимость равновесной  концентрации СО от температуры в реакторе с графитовым  замедлителем и теплоносителем CO2

К достоинствам легкой воды как теплоносителя относятся хорошие теплопередающие свойства, легкость и безопасность в обращении, доступность и экономика ее использования. Сечение поглощения нейтронов воды относительно велико, поэтому для поддержания реакции деления в реакторе, использующем в качестве замедлителя и теплоносителя легкую воду, необходимо применение топлива, обогащенного 235U.
АЭС с легководными реакторами обычно строят в местах, богатых большими источниками воды. Природные источники воды, однако, не обладают достаточной степенью чистоты. Поэтому используемая в качестве теплоносителя и в системе охлаждения АЭС вода подвергается предварительной деминерализации, очистке и обработке.
Имеющиеся данные о коррозионных свойствах воды при умеренных температурах позволяют удовлетворительно проектировать системы циркуляции теплоносителя и охлаждения в LWR. Изготовленные из сплавов алюминия и нержавеющей стали (см. § 10.5 и 10.7) контуры циркуляции используются соответственно при относительно низких и высоких температурах.
Кипящая вода, имеющая большую скрытую теплоту испарения, используется как эффективный теплоноситель в реакторах BWR. В то же время образование пузырьков в воде уменьшает реактивность и улучшает устойчивость реактора. Снижение реактивности и повышение устойчивости реактора происходят в основном из-за уменьшения вероятности резонансной утечки из слабообогащенного топлива и увеличения утечки нейтронов, связанной с частичным испарением воды, замедлителя и теплоносителя.
Основываясь на саморегулирующем эффекте образования пузырьков, возможно осуществить непрерывное управление BWR в квази стабильном режиме. Если кипение воды будет происходить с большей скоростью, чем это необходимо для нормальной работы реактора, образующиеся пузырьки будут понижать реактивность, уменьшая тем самым тепловыделение в ходе ядерных реакций. Это, в свою очередь, вернет скорость кипения воды на уровень, обеспечивающий нормальную эксплуатацию реактора BWR.
Тяжелая вода используется в качестве замедлителя и теплоносителя в HWR. Единственное существенное отличие в нейтронно-физических свойствах легкой и тяжелой воды, -имеющее значение для выполнения функций замедлителя и теплоносителя, заключается в том, что тяжелая вода обладает значительно меньшим сечением поглощения тепловых нейтронов, чем легкая. Это позволяет в тяжеловодных реакторах осуществлять ядерную реакцию, используя природное урановое топливо.
Радиационная диссоциация легкой или тяжелой воды в активной зоне реактора представляет особый интерес. Так как легкая и тяжелая вода используются в реакторе в качестве замедлителя, отражателя, теплоносителя и растворителя (например, для растворения борной кислоты H3ВO3 с целью осуществления борного регулирования), мощное ядерное облучение (потоки нейтронов и гамма-лучей), образующееся в активной зоне реактора, разлагает воду на элементы и радикалы. Легкая вода разлагается по схеме


(11.8)

(11.9)

(11.10)

(11.11)

Это приводит к образованию H2 и H2O2 и к окислению и коррозии конструкционных материалов в активной зоне. Диссоциация тяжелой воды происходит сходным образом

(11.12)

(11.13)

(11.14)

(11.15)

Дейтерий и тритий образуются в процессе превращений за счет нейтронного облучения (или нейтронной активации).
Аналогичными уравнениями можно описать получение НЕЮ, НТО, DTO или Т2О в активной зоне реакторов LWR или HTR.
Концентрация перекиси водорода в воде уменьшается с ростом температуры или содержания примесей.
В условиях интенсивного облучения возникающая наведенная ионизация может вызывать рекомбинацию молекул воды по уравнению (11.8) или (11.12), что приводит к стабилизации процесса диссоциации.

Жидкие металлы: литий и натрий. В табл. 11.6 приведены данные о точках плавления и сечениях поглощения тепловых нейтронов для потенциальных жидкометаллических теплоносителей. Из указанных в таблице металлов6 Li и его соединение Li2BeF4 были выбраны в качестве бланкета и теплоносителя в основных умозрительных разработках УТР. Натрий или его соединение NaK служит теплоносителем в быстрых реакторах LMFBR.
В быстрых реакторах-размножителях (с высокой энергонапряженностью и большой удельной тепловой нагрузкой на топливо и материал оболочек твэлов), работающих при высоких температурах, жидкометаллические теплоносители хорошо выполняют свою основную функцию — отвод тепла из активной зоны.

Таблица 11. 6. Физические свойства некоторых потенциальных жидкометаллических теплоносителей


Металл

Точка кипения, С

Оа ,б

Металл

Точка кипения, С

Оа ,б

Висмут

271

0,032

Натрий

98

0,530

Литий

179

0,033

Олово

232

0,630

Свинец

327

0,170

Калий

62

2,10

Они обладают прекрасными теплопередающими свойствами, т.е. высокой теплопроводностью, хорошей термической стабильностью и низким давлением пара. Легкие жидкие металлы, литий и натрий, имеют также относительно высокие удельную и объемную теплоемкость. К основным недостаткам жидкометаллических теплоносителей нужно отнести трудность в обращении, необходимость обеспечения замкнутого контура циркуляции теплоносителя с двойной герметизацией, коррозию некоторых металлов в жидкометаллических теплоносителях при высоких температурах.
В природном литии массовое содержание 6Li равно 7,5% и 7Li 92,5%. Смысл применения жидкого лития в качестве материала бланкета и теплоносителя УТР, работающего в дейтерий-тритиевом топливном цикле, ясен из рассмотрения следующих ядерных реакций:

(11.16)
(11.17)
(11.18)
Нейтроны, выделяющиеся в ходе ядерной реакции дейтерия с литием, взаимодействуют с ядрами 6 Li и 7 Li с образованием нового ядерного топлива 3Т.
Натрий — наиболее подходящий теплоноситель для реакторов LMFBR, работающих при высоких температурах. Эксплуатация исследовательских и демонстрационных энергетических реакторов LMFBR показала хорошие характеристики жидкого натрия в теплопередаче и отводе тепла.
Следы примесей, особенно кислорода, в жидком натрии могут вызывать коррозию конструкционного материала при температуре около 650 °С. В то же время натрий, реагируя с кислородом, образует оксид натрия Na2 О, обладающий высокой агрессивностью в чистом виде. Ввиду низкой растворимости в натрии Na2 О может частично закупоривать систему охлаждения теплоносителя. Свободный от кислорода жидкий натрий не вызывает коррозии конструкционных материалов реактора, таких как нержавеющая сталь, сплавы никеля или бериллия при температурах ниже 650 °С. При более высоких температурах имеет место перенос массы и, следовательно, коррозия конструкционных материалов в жидком натрии становится серьезной. Кроме того, из-за довольно высокой точки плавления (98 °С) существует некоторая вероятность отверждения натрия в системе охлаждения. Во избежание этого контур циркуляции жидкого натрия обычно оборудован рубашкой с электрическими нагревателями.
В результате нейтронного облучения Na или NaK в активной зоне реактора может образоваться 2 4 Na, являющийся радиоактивным изотопом с периодом полураспада 15 ч. 2 4 Na испускает бета-частицы с энергией 1,39 МэВ и 2 гамма-кванта с энергией 2,75 и 1,37 МэВ. Поэтому при работе с натриевым теплоносителем необходимо ставить радиационную защиту в системах циркуляции и охлаждения, т.е. экранировать емкости с теплоносителем, трубопроводы, насосы, теплообменники и другое оборудование.


Рис. 11.17. Зависимость теплопроводности различных жидкометаллических теплоносителей от температуры
Рис. 11.16. Зависимость теплоемкости различных жидкометаллических теплоносителей от температуры

Экспериментальные данные по теплоемкости, теплопроводности и вязкости жидкометаллических теплоносителей. Основными физическими свойствами, определяющими способность жидкометаллических теплоносителей передавать тепло, являются удельная теплоемкость (при постоянном давлении) и теплопроводность. Кроме того, важной характеристикой являются энергозатраты на прокачку теплоносителя, определяемые главным образом его вязкостью (см. табл. 11.5). На основе экспериментальных данных [14, 15] были построены зависимости удельной теплоемкости, теплопроводности и вязкости жидкометаллических теплоносителей от температуры, которые приведены соответственно на рис. 11.16—11.18. Из графиков видно, что удельная теплоемкость лития, теплопроводность натрия и вязкость жидкометаллических теплоносителей быстро падают с ростом температуры.



 
« Магнитный фильтр-сепаратор в схеме очистки производственного конденсата   Метод определения параметров тепловой изоляции паротурбинных блоков ТЭС »
электрические сети