2.8.2. Аэс с газовым теплоносителем

Главным преимуществом газового теплоносителя является возможность получения его высокой температуры после реактора. Это открывает возможность использования на двухконтурной АЭС серийных высокоэффективных турбин обычной теплоэнергетики, что удешевит АЭС, а в будущем позволит создать одноконтурные АЭС с газовыми турбинами.

Высокая температура газового теплоносителя позволяет рассматривать АЭС как объект, дающий промышленности электроэнергию вместе с высокопотенциальной и низкопотенциальной теплотой.

Все действующие АЭС с газовым теплоносителем работают как двухконтурные АЭС с реакторами на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем. Из числа радиационно-стойких газов можно рассматривать СO₂ и гелий. Использование графита в качестве замедлителя ограничивает предельную температуру для СО₂, так как при высокой температуре она в процессе диссоциации взаимодействует с графитом. Это приводит к выносу графита из активной зоны и восстановлению СО₂ до СО с соответствующим ухудшением свойств теплоносителя.

От этого недостатка свободен гелий. В связи с этим именно охлаждаемые гелием реакторы называют высокотемпературными газовыми реакторами (ВТГР), позволяющими снабжать промышленность не только электроэнергией, но и очень высокопотенциальной теплотой. Что же касается АЭС с углекислотным охлаждением, то их промышленное назначение ограничивается выработкой электроэнергии.

Важным преимуществом газообразного теплоносителя является отсутствие взаимодействия с конструкционными материалами. Однако для углекислоты это имеет место только в отсутствие её взаимодействия с влагой. Другие недостатки АЭС с газообразным, особенно углекислотным, теплоносителем связаны с его невысокой плотностью. Для получения достаточно высокого коэффициента теплопередачи необходимы высокая скорость газа и специальное профилирование поверхности теплообмена. Это вызывает значительные сопротивления газового тракта. Невысокая плотность газа приводит также к большому объему перекачиваемого теплоносителя, что само по себе увеличивает затраты на перекачку теплоносителя; значительное сопротивление способствует тому же. В результате расход электроэнергии только на привод газодувки, например для углекислотного теплоносителя, в 2-3 раза превышает полный расход электроэнергии на собственные нужды АЭС с водным теплоносителем.

Малая теплоемкость газа требует большего расхода газового теплоносителя в сравнении с водой. Это, в свою очередь, вызывает значительные габариты как самих реакторов, так и парогенераторов, соответственно удорожая и оборудование АЭС и ее строительные конструкции. Поэтому газоохлаждаемые АЭС — самые дорогие из АЭС с реакторами на тепловых нейтронах.

В качестве теплоносителя двуокись углерода СО₂ была применена прежде всего на первой АЭС Великобритании ("Колдер-Холл). Положительный опыт работы этой станции побудил сохранить этот тип и на последующих АЭС. АЭС с углекислотным теплоносителем действовали также во Франции и по одной АЭС в Японии, Италии и Испании.

КПД брутто АЭС "Колдер-Холл" составил всего 25,6%, а КПД-нетто - 18,5%. турбиной для части повышенного давления - 1,4 МПа, 310^OC, для низкого давления - 0,37 МПа, 170^OC.

Один из недостатков реакторов с газовым теплоносителем — большой расход электроэнергии на перекачку газа. Для уменьшения этих затрат теплоноситель прокачивается через реактор газодувкой, установленной на "холодной" стороне. Температура газа на выходе из газодувки постоянна – 135^OC, давление СО₂ - 0,7 МПа. Расход электроэнергии собственных нужд только на привод газодувки составляет 17%.

По типу атомной электростанции "Колдер-Холл" в Великобритании было построено еще шесть других. Они характеризовались усовершенствованием активной зоны и некоторым повышением давления и выходной температуры углекислоты. Дальнейшее совершенствование АЭС с углекислотным охлаждением и графитовым замедлителем было практически исчерпано для условий применения оболочек ТВЭЛ из магниевого сплава. Для существенного совершенствования необходимо значительно повысить температуру углекислоты на входе и выходе. Это позволило бы повысить КПД всей установки за счет перехода к циклу с высокими начальными параметрами пара. Такое повышение температуры после реактора могло быть осуществлено только при переходе к другим конструкционным материалам оболочек ТВЭЛ и, следовательно, к обогащению урана (с применением двуокиси урана).