Стартовая >> Архив >> Генерация >> Парогенераторные установки атомных электростанций

Первичные теплоносители - Парогенераторные установки атомных электростанций

Оглавление
Парогенераторные установки атомных электростанций
Схемы производства пара на АЭС
Принципиальные схемы производства пара
Характеристики и требования к парогенераторам
Первичные теплоносители
Конструкционные схемы парогенераторов обогреваемых водой
Конструкционные схемы парогенераторов обогреваемых органическими теплоносителями
Конструкционные схемы парогенераторов обогреваемых жидкими металлами
Конструкционные схемы парогенераторов с газовыми теплоносителями
Классификация парогенераторов
Конструкции парогенераторов, обогреваемых водой под давлением
Конструкции парогенераторов, обогреваемых жидкими металлами
Конструкции парогенераторов, обогреваемых газовыми теплоносителями
Характеристика процессов, протекающих в парогенераторах
Тепловые и гидродинамические условия работы поверхностей теплообмена с однофазной средой
Требования к чистоте пара
Переход примесей из воды в пар
Водный режим парогенераторов АЭС
Коррозия поверхностей теплообмена - водный режим
Отложения примесей воды - водный режим
Питательная вода парогенераторов
Водный режим прямоточных парогенераторов
Задачи проектирования и виды расчетов
Общие положения конструкционного расчета
Положения методики теплового, конструкционного и гидродинамического расчетов
Применение ЭВМ для расчета парогенераторов
Особенности расчета прямоточных парогенераторов
Проектирование и расчет сепарационных и промывочных устройств
Выбор материала

§ 2.1. ТРЕБОВАНИЯ К ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМ АЭС

Свойства теплоносителей должны удовлетворять требованиям, определяемым условиями протекания ядерно-физических, физикохимических и теплофизических процессов в первом контуре АЭС. По ядерно-физическим свойствам вещество теплоносителя должна состоять из атомов с возможно меньшими сечениями захвата и рассеяния нейтронов. Они должны иметь высокую радиационную стойкость и минимально возможную способность к активации при прохождении через активную зону реактора.
С точки зрения физико-химических свойств вещество теплоносителей не должно иметь высокой химической и электрохимической активности по отношению к материалам контура и рабочему телу.
По теплофизическим свойствам вещество теплоносителя должно обеспечить интенсивный отвод тепла из реактора при высоких температурах. Чем выше температурный уровень отвода тепла из реактора, тем выше могут быть параметры пара, вырабатываемого парогенератором. Следует иметь в виду, что температура на выходе из реактора определяется в какой-то степени и физико-химическими свойствами, так как интенсивность химического взаимодействия веществ возрастает при повышении температуры.
Теплоносителем вместе с тем должно быть дешевое и распространенное вещество.
Газообразные и жидко металлические теплоносители не имеют ограничений по наивысшей температуре. Но следует отметить, что из-за плохих теплофизических свойств газов, обусловливающих весьма большую разность температур на границе стенка — газ, получение высоких температур газа на выходе из реактора возможно только при интенсификации теплоотдачи. В условиях реактора заметная интенсификация теплоотдачи может быть осуществлена главным образом при увеличении массовой скорости, что может быть достигнуто некоторым повышением давления газа в контуре.
Получение высоких температур воды требует создания в контуре высоких давлений, что практически ограничивает максимально достижимую температуру ее на выходе из реактора. При использовании органических теплоносителей такое ограничение накладывает их недостаточная термическая стойкость.

Следовательно, только жидкие металлы и газы дают возможность получить на выходе из реактора высокие температуры, позволяющие вырабатывать в парогенераторах пар высоких, сверхвысоких и закритических параметров. Таким образом, теплоносители можно разделить на две группы: низкотемпературные и высокотемпературные (температура на выходе из высокотемпературного реактора более 450 °С).
Ниже кратко рассматриваются теплофизические и физико-химические свойства теплоносителей, оказывающие влияние на конструкцию и работу парогенераторов.

§ 2.2. ЖИДКИЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛИ

В настоящее время в качестве жидких теплоносителей для АЭС можно рассматривать обычную и тяжелую воду, из органических соединений — некоторые полифенилы, а из жидких металлов — натрий, сплав натрий — калий.
Вода и органические соединения являются низкотемпературными теплоносителями, а жидкие металлы — высокотемпературными.
Вода. Обычная вода — наиболее дешевый и распространенный жидкий теплоноситель. Сочетание ее физических и теплофизических свойств (плотность, теплопроводность, вязкость, теплоемкость), определяющих интенсивность теплообмена и расход теплоносителя, весьма благоприятно.
Коэффициенты теплоотдачи для воды достигают больших значений при относительно малых скоростях и резко увеличиваются с их ростом. Так, если при скорости воды около 0,3 м/с коэффициент теплоотдачи примерно равен 2-10-Вт/(м2-К), то при скорости 1 м/с он увеличивается до 5-103, а при скорости 5 м/с—до 20-103 Вт/(м2-К). Благодаря высокой теплоемкости, малой вязкости и большой плотности затраты на перекачку воды по контуру невелики. К положительным свойствам воды относятся также хорошая устойчивость ее по отношению к ионизирующему излучению и практически невысокая склонность к активации. Из недостатков воды в первую очередь следует иметь в виду как самый серьезный высокое давление ее насыщенного пара, которое к тому же быстро растет с повышением температуры. Так, при давлении 0,1 МПа температура насыщения 99,6, а при 22,11 МПа только 374,1-С. Таким образом, при увеличении давления более чем в 200 раз температура насыщенного пара повышается всего несколько более чем в 3 раза. Температурный уровень отвода тепла из реактора водой невысок. В связи с этим невысоки и параметры рабочего пара, вырабатываемого парогенератором, обогреваемыми водой под давлением.
Определенным недостатком воды как теплоносителя является зависимость ее плотности от температуры (влияние давления на плотность мало), существенно увеличивающаяся с ростом температуры. Например, при давлении 10 МПа и изменении температуры от 250 до 300°С удельный объем воды увеличивается на 11 %. Это обстоятельство делает необходимым установку в первом контуре специального компенсирующего объема (компенсатора объема).
Вода — хороший растворитель, и это свойство значительно усложняет водоподготовительные установки, которые должны очищать воду не только от взвешенных или коллоидных частиц, но и от растворенных. Наличие в воде первого контура растворенных примесей приводит к повышению ее радиоактивности за счет возникновения долгоживущих нуклидов. Выпадение активных веществ из раствора в контуре делает его (в том числе и парогенераторы) труднодоступным для ремонта и ревизии.
Вода — весьма коррозионно-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 (pH) 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 и эксплуатационных затратах.
В единичных установках первого периода развития ядерной энергетики в качестве теплоносителя в парогенераторах был использован насыщенный водяной пар (на выходе из активной зоны 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, теплопроводность, теплоемкость и вязкость тяжелой и обычной воды также близки. Следовательно, с точки зрения влияния свойств теплоносителя на конструкционное оформление парогенераторов 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. Более 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 и теплопроводность сравнительно малы, а вязкость высока. При одинаковых скоростях движения полифенилов 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 теплопередающих 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 теплоносители обладают многими положительными свойствами. Они практически не взаимодействуют с конструкционными материалами контура, слабо активируются при прохождении через активную зону реактора. Возможность нагрева их до 400 °С позволяет осуществить для среднего давления рабочего 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 значительного удешевления и упрощения конструкции реактора, трубопроводов и парогенераторов. Однако к настоящему времени установлено, что существующие органические теплоносители 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.
Жидкие металлы. Применение на АЭС жидкометаллических теплоносителей в настоящее время обусловливается необходимостью внедрения в ядерную энергетику реакторов на быстрых нейтронах, требующих высоких удельных теплосъемов в активной воне.
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 теплофизическими свойствами. В первую очередь это относится к теплопроводности, которая выше, чем у воды, в 10—100 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 из 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 и 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, его 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 Na—К (25 % Na, 75%          К), температура плавления которого равна —11°С, в 2,5 раза ниже, чем теплопроводность Na (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.

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 и активация сложных многоатомных газов также незначительны. Физико-химические свойства газообразных веществ вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к теплоносителям, так как они не обладают химической активностью и коррозионноинертны. По теплофизическим свойствам большинство газообразных веществ (кроме гелия и водорода) являются плохими теплоносителями. Теплоемкость, плотность и теплопроводность их очень- малы. В соответствии с этим для отвода тепла необходимо прокачивать весьма большие объемы теплоносителя. Плохие теплопередающие 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 парогенераторе. 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, но они существенно активируются в реакторе с образованием радиоактивных нуклидов (аргона и азота).
Водород мог бы быть лучшим теплоносителем в отношении теплопередающих свойств. При малой плотности он имеет весьма большую объемную теплоемкость и 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 теплообмена, омываемой гелием, примерно на 30 % меньше, чем при 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 нейтронах. Однако это потребует освоения весьма высоких давлений и в первом контуре. Из недостатков гелия следует иметь в виду его малую объемную теплоемкость. Поэтому для переноса больших количеств тепла нужно предусматривать большие, чем даже в случае применения диоксида углерода, температурные перепады на входе в поверхность теплообмена и выходе из нее. При практическом использовании гелия нужно иметь в виду его высокую стоимость и такое свойство, как текучесть (способность проходить через очень малые неплотности).

Диоксид углерода (СО2) по теплопроводности и интенсивности теплообмена существенно уступает гелию. Однако по затратам на перекачку (при одной и той же мощности реактора) он несколько лучше. Кроме того, СО2 существенно доступнее. Этот газ сравнительно широко применялся в качестве теплоносителя в ядер ной энергетике в первое десятилетие ее развития. В более поздний период ввод АЭС с реакторами, охлаждаемыми СО2, не осуществлялся. Одна из причин — трудность предотвращения попадания теплоносителя в воду или наоборот. Это обусловлено очень большими размерами поверхностей нагрева, а следовательно, большим числом сварных соединений и др.
Если давление в реакторе выше давления в парогенераторах, то через возможные неплотности СО2 попадает в воду. В результате образования Н2СО3 начнется интенсивная коррозия материалов контура парогенераторов. При более высоком давлении в парогенераторах вода может попасть в реакторный контур, что вызовет интенсивную коррозию его материалов даже при весьма малых протечках.
Теплопередающие способности газовых теплоносителей существенно улучшаются при повышении давления: с повышением давления повышается плотность и почти пропорционально снижаются затраты на перекачку. Если затраты на перекачку сохранить такими же, как и при низких давлениях, то можно повысить интенсивность теплообмена за счет повышения массовой скорости. При использовании газового теплоносителя выбор давления — сложный технико-экономический вопрос. Повышение давления приводит к снижению затрат на перекачку, уменьшению поверхности теплообмена, повышению температуры газа на выходе из реактора. Но одновременно увеличиваются капитальные затраты на все элементы, работающие под давлением. Для каждого конкретного случая должен быть найден оптимальный вариант.



 
« Параметры кислотного раствора в котле при очистке по методу травления   Пассивация и консервация барабанных котлов по методу “гидразинной выварки” »
электрические сети