книги из ГПНТБ / Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие

90 Гл. 4. Теплоносители

Различие удельных объемов металла и окисла, изменение па­ раметров кристаллических решеток металла и окисла при эпи­ таксии вызывают появление напряжений в опасной пленке. В полнкрнсталлическом материале большие напряжения могут воз­ никать на границах зерен из-за разных скоростей окисления соседних зерен, выходящих на поверхность различными кри­ сталлографическими плоскостями, а также из-за преимущест­ венного окисления по границам зерен. Напряжения в окисной пленке увеличиваются с ростом ее. Когда, напряжения превос­ ходят предел прочности, пленка разрушается и сплошность ее нарушается. Разрушение начинается обычно по кромкам, краям отверстий и т. д. Разрушение пленки естественно снижает ее защитные свойства. При этом может измениться закон роста пленки. При большой прочности пленки п слабом сцеплении ее с металлом напряжение сжатия приводит к образованию пузы­ рей и отслаиванию окисной пленки.

Окисные пленки толщиной до 400 А вызывают появление на металле цветов побежалости, связанных с интерференцией све­ та в окисле. В этом случае цвет пленки связан с ее толщиной. Как правило, хорошими защитными свойствами обладают окис­ лы со структурой шпинели, например магнетит. Шпинель имеет кубическую решетку с большим числом атомов.

Окисная пленка может состоять из нескольких слоев. Так, окнсная пленка на железе (окалина) состоит нз нескольких окислов железа. Непосредственно к поверхности металла при­

шетки хлористого натрия. Этот окисел устойчив при темпера­ туре выше 570—575°. При более низкой температуре он не обра­ зуется, а при медленном охлаждении от более высокой темпера­ туры распадается:

В вюстите, как правило, содержание кислорода превосходит сте­ хиометрическое. Окисел Рез04 (магнетит) имеет кубическую ре­ шетку типа шпинели. В кристаллической решетке магнетита на каждый ион двухвалентного железа приходится два иона трех­ валентного железа. В отличие от других окислов железа, за

стемы. Чаще на сплавах образуются сложные окислы, напри­ мер Сг2 0 3 • NiO.

Если кислород растворяется в сплаве при его окислении, ме­ нее благородный компонент может образовывать окисел внутри

сплава. При этом под поверхностью раздела между сплавом и окалиной могут образовываться окиспые прослойки, часто назы­ ваемые субокалиной. Для внутреннего окисления требуется, что­ бы скорость диффузии кислорода в сплаве была много больше скорости диффузии легирующего элемента.

Выше рассматривалось образование твердых окислов. В ря­ де случаев в процессе окисления образуются жидкие окцсные фазы, например, при окислении сплава, содержащего в качестве компонента металл, который образует легкоплавкий окисел. Та­ кие случаи имеют место при окислении металлов и сплавов в присутствии МоОз и Ѵ2 О5 с температурой плавления 795 и 674° соответственно. Присутствие жидких окисных фаз может при­ вести к чрезвычайно быстрому разрушению сплава, называемо­

руют в зоне окисления металла и окисляются сами. При этом, естественно, лежащий у поверхности слой металла обедняется углеродом и изменяет свои механические свойства. Уменьшение окислительных компонентов в газовой фазе (С02, 0 2) умень­ шает процесс обезуглероживания. При значительном содержа­ нии в газе СО и СН,( может происходить даже науглерожива­ ние поверхности. Целесообразно подбирать, если представляется возможность, такой состав газовой среды, чтобы были подав­ лены процессы окисления металла. Полностью инертны к ме­ таллам лишь благородные газы. Часто используют защитные атмосферы из азота с примесями водорода, СО, СН*. При боль­ шом содержании водорода, СО и СН4 смесь становится взрыво­ опасной. Для создания защитной атмосферы применяют-также

щихся в особо тяжелых условиях, .наплавляют высокостойкие сплавы: стеллит, нихром. В некоторых случаях деталь покры­ вают алюминием погружением в расплавленный алюминий. Ши­ роко распространено также термодиффузионное покрытие. При этом металл покрытия переводится в газовую фазу в виде ка­ кого-либо летучего соединения данного металла, а затем в ре­ зультате диффузии его в защищаемый металл создается на поверхности защитное покрытие.

Для увеличения жаростойкости железа его легируют хро­ мом, алюминием, кремнием, т. е. элементами, обладающими значительным сродством к кислороду. Естественно, что при этом должно выполняться соотношение Пиллинга — Бедфорса. Ато­ мы легирующего компонента должны иметь меньший размер, чем атомы основного металла, чтобы легирующий элемент легче диффундировал к поверхности для образования окисла с вы­

соким электрическим сопротивлением. Для того чтобы защитная окисиая пленка была устойчива при высокой температуре, оки­ сел легирующего компонента должен иметь малую упругость диссоциации и высокую температуру плавления и сублимации (возгонки).

Углекислый газ. В настоящее время из газовых теплоноси­ телей наиболее широкое применение находит углекислый газ. Углекислый газ представляет собой бесцветный газ, легко пере­ ходящий при охлаждении или сжатии в жидкое состояние. При быстром испарении жидкой углекислоты часть ее замерзает и переходит в снегоподобную массу. Сечение захвата тепловых нейтронов углекислым газом невелико. Разложение углекислого газа в поле облучения существенно зависит от параметров газа. Так, при давлении, близком к атмосферному, углекислый газ практически не разлагается при облучении. С увеличением дав­ ления устойчивость углекислого газа снижается, и при давлении 10 ат его разложение становится заметным. Первичными реак­ циями разложения углекислого газа под действием облучения являются:

в дальнейшем, реагируя с окисью углерода и атомами кислоро­ да, образуют вновь углекислый газ. Наличие в углекислом газе примесей, взаимодействующих с атомами углерода или кисло­ рода, способствует разложению углекислого газа под облуче­ нием. Это обстоятельство обусловлено тем, что связывание ато­ мов углерода или кислорода примесями уменьшает скорость обратной реакции рекомбинации:

С + 20 С02. (4.15в)

Примерный состав углекислого газа, применяемого в ядерной установке, приведен в табл. 4.7. Наведенная радиоактивность углекислого газа обусловлена образованием при облучении в нем изотопов 1 6 N, 1 9 0, 4|Аг и ИС. Первые два изотопа образуются из кислорода, последние два — соответственно из аргона и азо­ та примесей. При нагреве до температуры 1000° углекислый газ начинает диссоциировать:

к накоплению в контуре окиси углерода в количестве до 0,37—

0,65%.

В системе графит — углекислый газ возможен термический перенос углерода из области с высокой температурой в область

Гелий. Весьма перспективным теплоносителем для реакторов на быстрых нейтронах является гелий. Гелий — бесцветный газ, не имеющий запаха. Он является благородным газом и в хи­ мическом отношении крайне инертен. Гелий легчайший из инерт­ ных газов и самый легкий после водорода из всех известных газов. По своим ядерным и физико-химическим свойствам гелий является одним из наиболее подходящих газовых теплоносите­ лей. Наибольшим сечением захвата обладает изотоп 3 Не. Со­ держание этого изотопа в природном гелии мало и составляет ІО- 7 —10~6%. Наведенная активность чистого гелия практически отсутствует. В реальных условиях активность гелиевого тепло­ носителя обусловлена примесями, в том числе продуктами де­ ления. Чаще всего гелий загрязнен азотом и аргоном. Но даже наличие примесей не вызывает существенной наведенной радио­ активности гелия. Очистка гелия от радиоактивных примесей может осуществляться на активированном древесном угле.

В условиях, имеющих место в реакторе с гелиевым теплоно­ сителем, свойства последнего близки к свойствам идеального газа. Теплоемкость гелия ниже, чем у углекислого газа. Для аккумуляции значительного количества тепла в гелии необхо­ димо иметь большой перепад температуры на входе в активную зону и выходе из нее. Это обстоятельство усложняет примене­ ние гелия в качестве теплоносителя. Теплопроводность гелия в 10 раз больше, чем углекислого газа. Это свойство облегчает теплоотдачу, уменьшает габариты теплообменников, делает ге­ лий перспективным для заполнения кладки канальных реакто­ ров. Гелий крайне текуч. Даже при современном уровне тех­ ники создание систем, герметичных по гелию, представляет труд­ ную задачу. При выборе гелия в качестве теплоносителя следует учитывать и высокую его стоимость.

Сам гелий не вызывает окисления реакторных материалов. Загрязнение его кислородом, углекислым газом, парами воды приводит к коррозии металлов и сплавов. Для предотвращения этого явления общее содержание примесей в гелии не должно превышать 0,01%. Загрязнение гелия (кислородом может при­ вести к переносу углерода по контуру за счет образования угле­ кислого газа и его диссоциации.

Воздух. Применение воздуха в качестве теплоносителя тре­ бует тщательной его осушки. При относительной влажности воз­ духа выше 9% все конструкционные материалы, за исключением нержавеющей аустенитной хромоникелевой стали, интенсивно корродируют. При работе с воздухом в качестве теплоносителя по разомкнутой схеме возникает опасность активирования воз­ духа за счет присутствующего в воздухе аргона.

Диссоциирующие газы. Применение в качестве теплоноси­ теля диссоциирующих газов N2 0 4, А12 С1б, А12 Вг6 и др., а также

их смесей позволяет улучшить общие технико-экономические по­ казатели ядерных энергетических установок, в частности, за счет улучшения весовых и габаритных характеристик основного оборудования и в первую очередь уменьшить металлоемкость газовых турбин при большой их единичной мощности. Высокие теплофизические показатели диссоциирующих теплоносителей обеспечивают высокий коэффициент полезного действия, высо­ кий коэффициент теплоотдачи, что снижает габариты теплиобмениого оборудования. При использовании диссоциирующих га­ зов, в частности N2 O4 , в качестве теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах могут быть получены лучшие показатели активных зон, чем в случае применения натрия.

Применение диссоциирующих газов в качестве теплоносителя и рабочего тела в реакторах на быстрых нейтронах позволит снизить давление, необходимое для достижения эффективного теплообмена, с 200—250 ат, которое имеет место в случае при­ менения гелия и водяного пара, до 80—140 ат в случае N2 O4 .

При использовании диссоциирующих газов в качестве рабо­ чего тела в замкнутом газотурбинном цикле газ исходного со­ стояния с наибольшим молекулярным весом (с минимальной га­ зовой постоянной) сжимается в компрессоре, нагревается в ре­ генераторе и реакторе до максимальной температуры цикла. При этом происходит диссоциация газа с поглощением тепла на про­ текание химической реакции с уменьшением молекулярного веса (при увеличении числа молей и газовой постоянной до макси­ мального значения). При расширении в турбине газ, охлаждаясь в регенераторе и холодильнике, рекомбинирует с выделением тепла при химической реакции и изменением числа молей и га­ зовой постоянной до минимального значения. Далее газ посту­ пает в компрессор, сжимается, и цикл повторяется. Большая газовая постоянная рабочего тела в турбине по сравнению с ее величиной в компрессоре позволяет уменьшить долю мощности, затрачиваемую на сжатие газа в компрессоре, до 30—45%.

Температурный интервал протекания реакций диссоциации при 1 ат 26—850°, при 100 ат 25—1200°.

Изменение скорости потока от 10 до 25 м/ч очень мало увеличи­ вает скорость коррозии. Со временем скорость коррозии стали 1Х18Н10Т уменьшается. Так, с увеличением экспозиции со 1 0 0

до 10000 ч скорость коррозии снизилась почти в 100 раз. Ско­ рость коррозии растет с увеличением давления до 50 ат. С даль­ нейшим увеличением давления стойкость аустенитной нержаве­ ющей стали практически не меняется. Преимущественная кор­ розия сварных швов не наблюдается. Аналогичным образом ве­ дут себя хромистые нержавеющие стали, упрочненные аустенит­ ные нержавеющие стали, сплавы титана.

Существенно ниже в этих условиях стойкость сталей перлит­ ного класса. Скорость коррозии их при температуре 500° и дав­ лении 50 ат составляет 0,05 г/ (м2 • ч). При температуре 200° и давлении до 50 ат скорость коррозии высокопрочных алюминие­ вых сплавов составляет (ІЧ-5) • ІО-2 мм/год. Повышение давле­ ния от 20 до 50 ат увеличивает скорость коррозии сплавов алю­ миния в 10 раз.

§ 4. 4

Водный теплоноситель

Особенности водного теплоносителя. В реакторах на тепло­ вых нейтронах в качестве теплоносителя часто используют воду, причем вода может служить не только теплоносителем, но и за­ медлителем. Сечение поглощения воды составляет 0,6 барн. Теплофизические свойства воды во всем интервале температур и давлений, представляющих интерес для ядерной энергетики, хорошо изучены. Значительный вклад в исследование этого воп­ роса внесли советские ученые М. А. Стырикович, М. П. Вукаловнч и другие.

Самым неприятным теплофизическим свойством воды явля­ ется высокое давление насыщенных паров, величина которого быстро растет с температурой. Это обстоятельство требует соз­ дания контуров, рассчитанных на высокое давление, что, есте­ ственно, удорожает установки и затрудняет их эксплуатацию.

Основным требованием, предъявляемым к обычной воде в ядерной энергетике, является ее чистота. В ряде случаев в воду добавляют те или иные вещества, как правило, либо для уменьшения ее коррозионной агрессивности, либо для подавле­ ния радиолиза. При проектировании ядерных энергетических установок с водным теплоносителем значительное место уделя­ ется качеству воды, т. е. водному режиму реактора. Состав во­ ды, количество допустимых примесей определяются технически­ ми условиями или нормами на воду заполнения, подпитки и контурную воду. При этом обычно нормируют следующие по­ казатели: 1) солесодержание (электропроводность); 2) сухой остаток; 3) величину pH; 4) содержание кислорода; 5) жест­

98 Г л . 4. Теплоносители

зии железа приводит к образованию накипи на поверхности твэлов, перегреву и выходу их из строя. В связи с этим содер­ жание этих веществ в воде должно строго контролироваться и поддерживаться на-минимальном уровне.

В двухконтурных реакторах теплоносителем является вода под давлением. В кипящих же реакторах из активной зоны вы­ ходит пароводяная смесь. В большинстве ныне действующих кипящих реакторов давление на выходе из активной зоны со­ ставляет 70—80 ат. При этом давлении растворимость хлоридов в паре невелика. При кипении происходит концентрирование хлоридов в водной фазе, содержание хлорид-иона при этом до­ стигает 0,1 мг/кг. Снижение концентрации хлоридов достигается продувкой и очисткой контурной воды. Наряду с хлоридами в зоне кипения увеличивается концентрация продуктов корро­ зии. Это обстоятельство приводит к интенсификации процесса отложения солей на поверхности твэлов. В связи с этим твэлы кипящих реакторов необходимо периодически очищать от отло­ жений.

Отсепарированный насыщенный пар, даже содержащий кис­ лород, не является агрессивной коррозионной средой по отно­ шению к сталям перлитного класса. Опасен в этом отношении конденсат греющего пара, содержащий значительное количество кислорода. В цилиндре низкого давления влага, содержащаяся

впаре, может вызвать эрозию лопаток.

ВСоветском Союзе впервые осуществлен ядерный перегрев пара до температуры 510° при давлении 130 ат. При этом давле­ нии растворимость хлоридов в паре велика и отсутствует опас­ ность концентрирования их на оболочках твэлов при досыхании и перегреве пара в пароперегревательных каналах.

Тяжелая вода DjO по сравнению с обычной водой обладает несколько худшей способностью замедлять быстрые нейтроны, однако она почти не поглощает тепловых нейтронов. Поэтому

тяжелая вода является лучшим замедлителем ядерных реакто­ ров на тепловых нейтронах. Естественно, тяжелая вода может применяться и как теплоноситель (табл. 4.9). Содержание тя­ желой воды в природной воде составляет 0,017%, что соответст­ вует одной тяжелой молекуле на 7000 молекул обычной воды. Для получения тяжелой воды наиболее широкое промышлен­ ное применение получили три способа: электролиз, дистилляция и химический обмен. Присутствие обычной воды в тяжелой ухудшает ее свойства как замедлителя, т. е. примесь легкой во­ ды в тяжелой является нежелательной. Однако высокая стои­ мость чистой тяжелой воды заставляет использовать в ядерных реакторах более дешевую тяжелую воду, содержащую около 10% обычной воды в качестве примеси. Растворимость солей в тяжелой воде примерно на 10% меньше, чем в обычной.