Материалы ядерных энергетических установок - Материал теплоносителя

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

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.