Гелий весьма распространен в природе, и его количество в атмосферном воздухе составляет ~4-1010 т (2,4-1011 н. м3), а суммарные запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5· 1014 н. м3 [59]. Единственный реальный источник промышленного получения гелия — природные газы. Наиболее богатые месторождения газа содержат гелий от 0,01 до 2% по объему. Запасы гелия достаточно велики, по оценкам, в США они составляют 5,65·109 н. м3, в Канаде—(3—5)-107 н. м3 [60]. СССР также располагает гелиеносными газовыми месторождениями и производит гелий высокой чистоты и технический гелий (состав технического гелия приведен в табл. 6.6).
Обычно гелий транспортируется в баллонах под высоким давлением, однако резко возросшее его потребление привело к необходимости организации перевозки жидкого гелия в больших количествах и на далекие расстояния. В настоящее время в США созданы автоцистерны для перевозки гелия в жидком состоянии емкостью 40 м3 [61].
Производство гелия растет весьма быстро. США в 1958 г. производили 10-106 н. м3 гелия, а в 1967 г. уже 30-106 н. м3, к 2000 г. потребность в гелии составит, по оценкам, 60-106 н. м3 в год. Основные потребители гелия — атомная, ракетная и криогенная техника, на долю которых в настоящее время приходится свыше 80% производимого гелия, причем доля потребления гелия в атомной энергетике, согласно прогнозам, будет возрастать. Так, потребление гелия атомной энергетикой США увеличилось с 1972 по 1975 г. в два раза, к 1985 г. увеличится в четыре раза, а к 2000 г. —более чем в восемь раз [61].
Одна из основных инженерных проблем использования гелия как теплоносителя ВТГР и БГР — обеспечение герметичности первого контура, что требует строгого подхода к разработке конструкций фланцевых соединений, узлов для прохода вращающихся валов, штоков арматуры и т. п.
Согласно проведенным экспериментам [62—64], установлено, что гелий при температуре до 800° С и давлении до 6,0 МПа не диффундирует через стали (1Х18Н10Т, 12Х1МФ, ЭИ437Б и др.); проникновение гелия через трубы в отдельных экспериментах является следствием субмикроскопических дефектов металла, проявляющихся при высокой температуре (выше 600° С) и достаточно высоком давлении. Показано также, что гелий не влияет на длительную прочность испытуемых материалов.
Утечка гелия через конструкционные материалы контура ЭУ может быть принята равной 10-14—10-17 см3/(см2-с-Па) при давлении выше 6,0 МПа и температуре выше 600° С.
Достаточно многочисленные эксперименты и опытная эксплуатация гелиевых контуров показали, что при высоком качестве сварочных работ и соответствующем контроле за изготовлением оборудования, при условии входного контроля применяемого фабриката конструкционных материалов проблема удержания гелия в контуре при высоких давлениях и температурах успешно решается, при этом общие утечки гелия из контура составляют 0,1 — 1,0% объема контура в сутки.
Особо следует остановиться на коррозионном воздействии гелиевого теплоносителя на конструкционные материалы активной зоны и контура ВТГР и БГР. Теплоноситель содержит различные примеси (см. табл. 6.6), которые могут внедряться в материалы контура при высоких температурах (выше 700°С), что приводит к коррозии, проявляющейся в науглероживании, окислении, азотировании или наводороживании сталей.
Действующие за рубежом технические условия требуют, чтобы объемное содержание примесей в первичном теплоносителе было следующим [65] :
Проведенные исследования показывают [66—69], что наводороживание и азотирование конструкционных материалов практически не наблюдаются и в основном коррозия сводится к окислению и в большей степени к науглероживанию [70]. Примеси гелия определяют характер гелиевой атмосферы — окислительный или науглероживающий. Окислительный потенциал характеризуется отношением парциальных давлений Рн2/Рн2о и Рсо/Рсо2, а науглероживающий потенциал — отношением парциальных давлений Р(со)2/Рн2 и Р(со)2/Рсо2.
Таблица 2.6
Окислительный и наводороживающий потенциал
В табл. 2.6 приведены значения этих потенциалов для реакторных установок, из которой видно, что различие значений потенциалов для этих типов реакторов незначительно [71]. Согласно [69], перенос углерода будет минимален, если Рн2Рсо2/Рн2оРсо — 1, a Ph2/Ph2o =1-10.
Если для конструкционных материалов ВТГР науглероживание не представляет существенной опасности, то для БГР, где в качестве оболочек твэлов используются тонкостенные трубы из жаропрочных сталей, науглероживание может привести к преждевременному разрушению оболочек, поскольку за кампанию глубина науглероживания слоя может стать соизмеримой с толщиной стенки [70]. Это вызывает необходимость снижать потенциал науглероживания, например, путем исключения прямого контакта графита с гелием или посредством обогащения примесей гелия по кислороду. Изменить соотношение примесей в контуре можно также с помощью системы очистки при работе ее в избирательном режиме.
