2.1.3 Теплоносители

Реакторный теплоноситель - это жидкое или газообразное вещество (или кипящая жидкость), предназначенное для от­вода генерируемого в реакторе тепла с целью его дальнейшего использо­вания.

Поскольку непрерывно циркулирующий через активную зону ЭЯР тепло­носитель является неотъемлемой её частью, к нему предъявляются те же нейтронно-физические требования, что и к замедлителю.

Требования, предъявляемые к ТН можно разделить на 4 группы: ядерно-физические, теплофизические, физико-химические, эксплуатационные.

1. С точки зрения ядерно-физических требований теплоноситель должен обладать:

• малым сечением захвата нейтронов;

• малым сечением рассеяния нейтронов (для реакторов БН);

• хорошей замедляющей способностью и коэффициентом замедления (для реакторов на тепловых нейтронах);

• высокой радиационной стойкостью;

• малой способностью к активации.

2. Теплофизические требования:

• высокая теплоемкость и теплопроводность;

• низкая вязкость;

• высокий коэффициент теплоотдачи;

• малые энергетические затраты на прокачку теплоносителя.

3. Физико-химические требования:

• коррозионно инертное отношение к материалам, используемым в 1-м контуре;

• химически инертен по отношению к окружающей среде и остальным материалам;

• химически стоек в больших температурных и радиационных полях.

4. Эксплуатационные требования:

• высокий уровень отвода тепла из реактора;

• низкое давление теплоносителя;

• пожаробезопасность;

• нетоксичность;

• отсутствие в контуре дополнительных усложняющих устройств (например, ВВЭР – компенсатор давления);

• распространенность, доступность, дешевизна.

Вода. 1. Обладает сравнительно хорошими ядерно-физическими свойствами, относительно большим сечением рассеяния, приемлемым сечением поглощения (_п).

Основным недостатком воды как теплоносителя является то, что под действием облучения происходит ее радиолиз. При радиолизе выделяется кислород и водород по схеме

В результате, если не принять меры, может образоваться гремучая смесь. Вода в реакторе активируется незначительно. Основная активность воды образуется за счет ядерных реакций на кислороде.

Таким образом, видно, что в теплоносителе (воде) 1-го контура, даже если в него не попадают осколки деления, скапливаются радиоактивные вещества, в том числе и газы. Это требует создания дополнительных устройств химводоочистки и постоянного контроля качества теплоносителя.

2. Вода обладает большой теплоемкостью (С_р), низкой теплопроводностью, относительно малой вязкостью.

Коэффициент теплоотдачи существенно возрастает с ростом скорости, потому приемлемого значения  можно достичь при умеренных скоростях, что приводит к приемлемым затратам энергии на прокачку теплоносителя.

3. При температурах выше 300⁰С и повышенных давлениях происходит интенсификация коррозионных процессов, хотя и при обычной температуре вода коррозионно активна. Это одни из основных недостатков воды как теплоносителя, поэтому в 1-м контуре используются дорогостоящие нержавеющие стали. Химически вода инертна, термически стойкая.

4. Один из самых серьезных недостатков – высокое давление насыщенных паров. С ростом температуры давление насыщенного пара резко возрастает. Поэтому в 1-м контуре необходимо поддерживать высокое давление при достаточно низком температурном уровне отвода тепла из реактора.

Вода не токсична, пожаробезопасна, доступна, ее свойства хорошо изучены, дешева.

Тяжелая вода отличается от обычной воды только ядерно-физическими свойствами. Во всем остальном свойства этих двух материалов абсолютно одинаковы.

Органические теплоносители (дифинил С₁₂Н₁₀, трифинил С₁₂Н₁₄ и др.).

1. Поскольку эти вещества содержат водород, то, с точки зрения ядерно-физических свойств, они - хорошие замедлители, однако сечение поглощения у них выше, чем у воды.

Активируются в реакторе слабо.

В условиях высоких температур (более 450⁰С) и в условиях ионизирующего излучения органические теплоносители полимеризуются.

2. В целом теплофизические свойства хуже, чем у воды, а вязкость выше (), в результате коэффициент теплоотдачи () ниже, а затраты на прокачку высокие.

3. Коррозионно инертны по отношению к конструкционным материалам, химически инертны.

4. Имеют сравнительно высокую температуру кипения при умеренных давлениях, что позволяет получать пар средних параметров с заметным перегревом. Пожаробезопасны. Из-за процессов полимеризации требуется дополнительное устройства для их очистки.

Жидкометаллические теплоносители.

Основные виды жидкометаллических теплоносителей: ртуть Hg), литий (Li), калий (К), натрий (Na), натрий-калий (Na-K), свинец (Pb), висмут (Bi), свинец-висмут (Pb-Bi).

Наибольшее распространение как теплоноситель энергетических быстрых реакторов получил натрий. Все жидкие металлы имеют простую атомную структуру, стабильны в условиях нагрева и излучения, имеют малую замедляющую способность и достаточно малую величину сечения поглощения (_а).

Один из недостатков – натрий активизируется.

2. Теплопроводность очень высока, коэффициент теплоотдачи () тоже, что компенсирует малую С_р. Затраты на прокачку приемлемы.

3. Так же один из недостатков – высокая химическая активность по отношению к окружающей среде. Коррозионно не активны, но у натрия есть избирательная способность к переносу массы.

4. Преимущество - высокая температура кипения при низком давлении насыщенных паров, поэтому нет верхней границы по нагреву теплоносителя. Максимальные температуры жидкометаллического теплоносителя ограничены предельными температурами конструкционных материалов.

Кроме того, натрий является пожароопасным материалом. Многие виды теплоносителей (Hg, Bi и т.д.) являются токсичными t_пл(Na)=98⁰C, поэтому требуется разогрев его перед пуском. Натрий довольно распространен и сравнительно дешев.

Газообразные теплоносители (СО₂, Н₂, N₂, He и воздух).

1.Малые сечения захвата (_а), небольшая активация (за исключением N₂ и воздуха, которые активируются в реакторном излучении), хорошая радиационная стойкость.

2. Теплофизические свойства плохие.

Малы С_р, , . Высокие затраты на прокачку.

3. Газы коррозионно инертны по отношению к окружающей среде и рабочему телу, кроме водорода, который может образовывать с кислородом “гремучую смесь”.

Термически стойки.

4. Уровень отвода тепла из реактора может быть очень высоким при низких и умеренных давлениях.

Газы пожаробезопасны (кроме Н₂), нетоксичны, достаточно дешевы (кроме Не).

Наибольшее распространение получили СО₂ и Не. Однако СО₂ не используется в высокотемпературных реакторах. Предел температур определяется следующими причинами:

• СО₂ восстанавливается до СО при контакте с графитом;

• повышается окисление углеродистых сталей при t  650⁰C.

Наиболее перспективным теплоносителем для высокотемпературных газовых реакторов (ВТГР) является Не.

Таблица 2.2.

Теплофизические свойства ТН

Элемент i	Плот-ность i, г/см3	Молярная масса Аri, а.е.м	Темпе-ратура плавления Тпл, °C	Температура кипения Ткип, °C	Теплота плавления кДж/моль	Теплота испарения кДж/моль	Молярная теплоемкость Дж/К*моль	Теплопроводность Вт/м*К
O	143 10-5	15,995	-218,35	-182,96	0,444	3,41	29,4	0,027
He	17,8510-5	4,003	-271 (при 3,76 МПа)	-268,8	-	0,08	20,79	0,152
H2O	0,997	18,011	0	100	-	-	75,37	0,56
D2O	1,1	20,023	3,81	101,43	5,301	45,4	84,3
N	0,808	14	-209,86	-165,75	0,72	5,57	29,125	0,026
Pb	11,34	207.2	327,46	1749	4,77	177,8	26,65	35,3
Bi	9,79	208,9	271,44	1291	11,3	172	26	7,9
Pb-Bi			396,6	1943	-	-	147	12,7
Na	0,971	22,9	98	883	2,64	97,9	28,23	142
K	0,856	39,1	64	760	2,33	76,9	29,6	79
Na-K	0,89		19	825	-	-	1040	25,8
Hg	13,55	200,59	-38,83	356,73	2,295	58,5	27,98	8,3
Ar	178,410-5	39,948	-189,35	-185,85	7,05	6,45	20,79	0,0164
CO2	468 10-5	44	-	-	-	-	-	0,0233