При выборе теплоносителя обычно учитывают всю совокупность свойств: теплофизических (плотность, теплоемкость, вязкость, теплопроводность и др.); ядерно-физических (радиационная стойкость, активация и т. п.); химических (совместимость с конструкционными материалами); технологических (получение, токсичность, термостойкость, текучесть, взрыво- и пожароопасность, стоимость и т. п.). Поскольку в ВТГР температура теплоносителя может превышать 1000° С, то выбор возможных теплоносителей ограничен гелием, водородом и азотом. Отметим, что использование водорода в качестве теплоносителя энергетического реактора весьма проблематично, несмотря на лучшие (по сравнению со всеми другими газами) его теплофизические свойства. Это объясняется, прежде всего, его взрывоопасностью при смешении с воздухом и высокой химической активностью по отношению к конструкционным материалам активных зон при температурах от 800° С и выше.
Применение азота в атомной энергетике затруднено из-за его низких теплофизических свойств и высокой химической активности в области высоких температур. Использование углекислоты в магноксовых реакторах и AGR, достаточно хорошие ее теплофизические свойства не позволяют тем не менее рассматривать углекислоту как теплоноситель ВТГР, поскольку при высокой температуре СО2 диссоциирует, а продукты диссоциации интенсивно взаимодействуют с основным конструкционным материалом активной зоны ВТГР — углеродом, что приводит к массопереносу графита из активной зоны в холодные места контура.
Наиболее перспективен в качестве теплоносителя для ВТГР гелий. Во всех ЭУ с ВТГР, находящихся в эксплуатации, на стадиях строительства 1 или проектирования используется или предусмотрен для использования гелий [50].
Многочисленные работы, посвященные исследованию гелия как теплоносителя реактора [51—54], говорят о том, что гелий — практически единственный теплоноситель, удовлетворяющий большинству требований, предъявляемых к теплоносителям ВТГР.
Мощность, затрачиваемая на циркуляцию теплоносителя
Мощность, затрачиваемая на циркуляцию теплоносителя Qц, для сжимаемой среды выражается как
Адиабатическая работа сжатия 1 кг газа (Над) определяется из соотношения
Поскольку давление газа в теплообменных устройствах меняется незначительно (до 5%), можно считать, что
Тогда
а с учетом к.п.д. привода ηпр (электрического, паротурбинного и др.)
(2.8)
Уравнение Бернулли для сжимаемой среды при неизотермическом течении будет иметь вид (членами, содержащими ξΜ, ∆Т/Тср и 1n(Рг/Рвх), пренебрегаем; см. гл. 4)
(2.9)
Основные потери давления при движении теплоносителя по контуру установки имеют место в активной зоне реактора и в теплообменниках. Выразим комплекс ξтрL/d. через параметры, характеризующие тепловой режим работы этих устройств. Для этого воспользуемся газодинамической теорией теплообмена [55], позволяющей установить связь между теплоотдачей и гидравлическим сопротивлением. Зависимость для определения коэффициента теплоотдачи для сжимаемой жидкости может быть выражена, как
(2.10)
Выражение (2.10) справедливо только при значении числа Рг, близком к 1, и при условии развитого турбулентного режима течения, несущественном изменении давления по контуру циркуляции и при безотрывном движении теплоносителя.
Мощность теплопередающего устройства QT можно выразить как
где ΔΤ—подогрев (или охлаждение) газа в установке. С другой стороны,
(2.11) где ∆Тст — перепад температур между стенкой и газом; FT— площадь поверхности теплообмена.
Приняв во внимание, что
и произведя некоторые
преобразования с использованием выражения (2.10), получим:
(2.12)
Используя выражения (2.8), (2.9), (2.11) и (2.12), после несложных преобразований получим
(2.13)
Таким образом, мощность, затрачиваемая на циркуляцию теплоносителя, определяется теплофизическими свойствами газа, подогревом теплоносителя и температурным перепадом между теплопередающей стенкой и теплоносителем.
Рассмотрим комплекс параметров, определяющих эффективность теплоотдачи, под которой будем понимать отношение мощности теплообменного аппарата QT к мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителя через него Qц:
Эффективность теплоотдачи — важное качество теплоносителя, поскольку высокоэффективный теплоноситель позволяет при заданной Тст теплопередающей поверхности повысить среднюю температуру газа, что обеспечивает более высокие термодинамические показатели цикла. Эффективности теплоносителей посвящено достаточно много работ [56—58], из которых следует, что гелий как теплоноситель энергетических установок в рабочем интервале давления 4,0—20,0 МПа и при температуре 500—1200° С наиболее эффективен и уступает лишь водороду.
Ядерно-физические и химические свойства гелия
В отношении ядерно-физических свойств гелий является наилучшим теплоносителем. Он радиационно стоек, практически не активируется под облучением и имеет пренебрежимо малое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов (<10-27 см2).
Активация гелия обусловлена незначительными примесями 3Не, имеющего эффективное сечение взаимодействия около 5,4X10-21 см2, причем его содержание составляет 1,4·10—7% по объему [59].
Химическая активность гелия как теплоносителя определяется только примесями, присутствие которых вызвано несовершенством технологии его получения и возможными натечками различного рода примесей из смежных контуров (пары воды, водород, смазочные материалы газодувок и т. п.).
Гелий — химически инертный газ и не реагирует с конструкционными материалами активной зоны и контура.
