Транспортировка горячего гелия от активной зоны до теплообменников— одна из важнейших проблем, возникающих при создании энергетической установки. Практически этот вопрос решен пока лишь на реакторе AVR, где температура гелия на выходе составляет 950° С. Используемые теплоизоляционные материалы в этом случае изготовлены на основе графита.
В реакторах «Драгон» и «Пич-Боттом» коаксиальные трубопроводы охлаждаются противотоком холодного гелия. Максимальная температура гелия составляет 750° С, что не дает возможности экстраполировать полученные результаты на энерготехнологические установки.
В реакторе THTR-300 горячий газ транспортируется изолированными металлической фольгой трубопроводами, соединяющими активную зону и парогенераторы.
В реакторе «Форт-Сент-Врейн» рассматриваемая проблема решается следующим образом: газ из активной зоны проходит через опорную плиту к парогенератору, расположенному под активной зоной. Отверстия в опорной плите облицованы изоляционным материалом kaowoll.
Во всех последних разработках промышленных установок с интегральным и неинтегральным принципом размещения оборудования возникает новая проблема, связанная с необходимостью вывода горячего газа из корпуса и, как следствие этого, — необходимостью защиты монолита бетона от воздействия большого теплового потока со значительным температурным напором (до 800° С). Рассматриваются следующие технические решения конструкции для теплоизоляции трубопроводов (рис. 5.8):
I— пакет из металлической фольги, облицовка из керамики или шлаковаты;
II — коаксиальный трубопровод с охлаждением горячей трубы противотоком холодного гелия до температуры около 550° С;
///— коаксиальный трубопровод, в котором труба с горячим газом изолирована изнутри;
- — система коаксиальных трубопроводов на основе трубчатых элементов из графитовых блоков или других керамических материалов;
- — литье конструкции из хромистой стали с отверстиями для холодного газа и изолированные внутри трубопроводы для горячего газа.
Рис. 5.8. Варианты трубопроводов горячего гелия {41]
Диаметр трубопроводов для установки мощностью 3000 МВт (тепл.) равен ~ 1 м при числе петель от 8 до 12, поскольку потери давления в трубопроводе должны быть минимальные (суммарные потери давления в контуре составляют около 4% среднего давления). Конструкции трубопроводов и, следовательно, компоновка оборудования должны по возможности исключать повороты, изгибы и т. п. Заметим, что потери давления на поворот в таком трубопроводе эквивалентны потерям давления на трение в трубопроводе длиной 10 м.
Для выбора материалов изоляции трубопроводов горячего газа и получения оптимальных размеров труб необходимы экспериментальные исследования в условиях, приближенных к реальным. Расчеты показывают, что для сокращения потерь давления и получения приемлемых толщин тепловой изоляции скорость газа в трубопроводах не должна превышать 50—60 м/с, а живое сечение трубопровода не должно быть более 0,9—1 м2.
Тепловая изоляция в ВТГР и БГР, как правило, рассчитана на работу в течение длительного времени (30 лет) фактически без профилактических осмотров, ремонта или замены, в условиях радиационного облучения потоками быстрых и тепловых нейтронов, интенсивного снижения и повышения давления теплоносителя, больших температурных градиентов, вибрации и относительно высокой скорости газа. Материал, используемый для тепловой изоляции, должен быть стоек к радиационному облучению (например, максимальный флюенс нейтронов с энергией Е>0,1 МэВ на поверхности изоляции составляет 1019—1020 нейтр./см2), а изменения механических и теплофизических свойств не должны приводить к разрушению и значительному ухудшению изоляционных свойств этого материала.
Рис. 5.9. Зависимость коэффициента теплопроводности материалов, используемых для теплоизоляции, от температуры в среде гелия (Р = 0,1 МПа):
1— войлок из карбида циркония; 2 — графитизированный углеродный войлок; 3 — карбонизированный углеродный войлок; 4— графитизированная углеродная ткань; 5—экранная стальфолевая изоляция; 6— кварцевая ткань; 7 — kaowool (Р = 4 МПа)
Наряду с этим материал для тепловой изоляции должен быть химически инертен и эрозионно стоек в гелии (т. е. теплоноситель первого контура не должен загрязняться продуктами химических реакций, мелкими частицами или пылью), а также достаточно технологичен при изготовлении и монтаже и, по возможности, иметь небольшую стоимость. В зарубежной практике по защите корпусов газоохлаждаемых реакторов с температурой теплоносителя до 900° С и давлением 4,0—5,0 МПа применяют (или закладываются при разработке проектов) жаростойкие бетоны, керамические кирпичи (блоки), базальтовое, кремнеземное, каолиновое и графитовое волокна, а также теплоизоляцию на основе стальной жаростойкой фольги.
На рис. 5.9 приведены зависимости коэффициента теплопроводности некоторых изоляционных материалов, используемых в конструкциях газоохлаждаемых реакторов и оборудования первого контура [124—127], от температуры. Теплопроводность волокнистой изоляции в значительной степени зависит от плотности упаковки материала. Согласно экспериментам [125], оптимальная плотность каолинового волокна составляет 150—190 кг/м3 и с уменьшением плотности ее теплопроводность увеличивается. Так, при температуре 600° С при плотности 110 кг/м3 коэффициент теплопроводности в воздухе составляет 0,28 Вт/(м-°С), а при 190 кг/м3 — 0,2 Вт/(м-°С) [125].
Исследования волокнистых материалов в условиях реакторного облучения при температуре 950° С и флюенсе до 5-1019 нейтр./см2 показали, что кремнеземистое волокно никаких изменений не претерпело. Стекловолокно, испытанное при температуре 400° С, флюенсе быстрых нейтронов до 5-1017 нейтр./см2 и флюенсе тепловых нейтронов до 1,5·1018 нейтр./см2, также показало хорошую радиационную стойкость.
