Виды теплоносителей

Вода

В настоящее время вода широко используется в различных областях промышленности в качестве теплоносителя, чему способствуют широкое распространение воды в природе и ее особые термодинамические свойства, связанные со строением молекул.

Вода представляет интерес в качестве охладителя для ядерных реакторов. Вода имеет низкую стоимость. Ядерные свойства воды удовлетворительны как в отношении сечения поглощения нейтронов, так и в отношении искусственной радиоактивности. Важным является то, что вода в реакторах некоторых конструкций может служить одновременно замедлителем и охладителем.

Однако вода как охладитель имеет ряд серьезных недостатков. Относительно низкая точка кипения является важным недостатком воды при использовании ее в энергетических реакторах. Тепловой КПД системы съема тепла, выделяющегося в реакторе, непосредственно зависит от температуры охладителя. В энергетических реакторах неизбежно повышение температуры охладителя выше точки кипения воды при атмосферном давлении. Это потребует увеличения давления в системе охлаждения с вытекающими отсюда проблемами. Независимо от усложнений механического характера, возникающих в системах, охлаждаемых водой под давлением, коррозионная активность воды при таких условиях становится особенно угрожающей. Конструкции данных систем должны отвечать требованиям высокой коррозионной устойчивости, а также выдерживать напряжения, возникающие при высоких давлениях.

Плотность воды практически не зависит от давления, но при повышении температуры от 523 К до 573 К, плотность уменьшается на 11.9%. В то время как повышение давления от 0.1 до 10 мПа, плотность увеличивается всего на 0.5%. Удельная теплоемкость воды равна 33,61 Дж/моль·К (газ) и 4600 Дж/моль·К (жидкость), а плотность равна 1000,0 кг/м³.

Из-за активного коррозионного взаимодействия воды со многими конструкционными материалами отдельные узлы реактора и трубопроводы необходимо выполнять из нержавеющей стали или специальных сплавов.

Тяжёлая вода (D2O). Тяжелая вода присутствует в обычной воде в количестве 0,017%. Тяжелую воду можно выделить из обычной с помощью различных дорогостоящих процессов, требующих создания очень крупных установок. Тем не менее тяжелая вода имеет большие достоинства как реакторный теплоноситель: она имеет значительно меньшее сечение поглощения тепловых нейтронов, чем легкая вода, что делает возможным использовать в реакторах с тяжеловодным теплоносителем необогащенное урановое топливо (Сравнение характеристик легкой и тяжелой воды вы можете увидеть в приложении 1). Это позволяет использовать в качестве топлива природный уран в энергетических реакторах или использовать «лишние» нейтроны для наработки изотопов [3].

Примером реакторный установки, где в качестве замедлителя нейтронов используется тяжелая вода (D2О) является канадский реактор CANDU.

Крупномасштабная программа строительства тяжеловодных реакторов осуществляется в Индии. Всего в мире на данный момент действует 47 энергетических реакторов на тяжёлой воде, 3 строятся.

Раньше промышленные тяжеловодные реакторы широко использовались для производства трития и плутония, а также для производства широкого спектра изотопной продукции, в том числе и медицинского назначения.

В СССР тяжеловодные реакторы разрабатывал Институт теоретической и экспериментальной физики. Под руководством А. И. Алиханова и В. В. Владимирского были разработаны и сооружены промышленные тяжеловодные реакторы для производства плутония, трития и изотопов, опытные тяжеловодные реакторы в Югославии и КНР, тяжеловодный реактор с газовым охлаждением КС-150 для атомной электростанции А-1 в Богунице (Словакия) [5].

Критическая температура равна 644,05К, критическое давление равно 21,86МПа. Плотность тяжелой воды равна 1104 кг/м³. Температура кипения — 101,43°С, температура плавления — 3,813°С.

Существуют некоторые недостатки тяжелой воды.

Во-первых, тяжелая вода является дорогостоящим материалом Во-вторых, преобразование тяжелой воды (дейтерия) под действием нейтронного потока в тритий является радиоактивным и распадается с испусканием гаммы-частицы. Поскольку тритий имеет сравнительно большой период полураспада (12 лет), загрязнение тритием окружающей среды при утечках теплоносителя из реактора является проблемой, требующей внимания при проектировании реакторов.

Водяной пар

В качестве теплоносителя водяной пар применяется для отопления помещений и подогрева воды. На поверхности отопительных приборов поддерживается температура около 100С.

В целях обогрева используют обычно насыщенный водяной пар, а не перегретый. Это объясняется существенными достоинствами его как теплоносителя.

Важным достоинством насыщенного пара является постоянство температуры его конденсации (при данном давлении), что дает возможность точно поддерживать температуру нагрева, а так же, в случае необходимости, регулировать ее, изменяя давление греющего пара.

При использовании тепла парового конденсата коэффициент полезного действия нагревательных паровых устройств довольно высок. Пар удовлетворяет также другим требованиям, предъявляемым к теплоносителям (доступность, пожаробезопасность и др.)

Основной недостаток водяного пара - значительное возрастание давления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до которых можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180-190 °С, что соответствует давлению пара 1-1,2 МПа. При больших давлениях требуется слишком толстостенная и дорогостоящая теплообменная аппаратура, а также велики расходы на коммуникации и арматуру.

Более экономична утилизация водяного пара, получаемого после его использования в паросиловых установках. Химические производства часто потребляют большие количества не только тепла, но и электроэнергии. Поэтому целесообразно энергетический пар высокого давления (до 25 МПа) направлять первоначально в турбины для выработки электрической энергии, а затем мятый пар турбин давлением 0,6-0.8 МПа (иногда до 3 МПа) использовать для обогрева химической аппаратуры. Мятый пар турбин является перегретым. Чтобы избежать увеличения расходов на транспортирование теплоносителя, перегретый пар турбин увлажняют, смешивая его с горячей водой. При этом пар дополнительно испаряет некоторое количество воды и направляется в насыщенном состоянии в теплоиспользующие аппараты.

Газы

Водород. Один из газов, который соответствует требованиям теплопередачи и небольшой затраты энергии на его перекачку, а также имеет малое сечение поглощения нейтронов. Однако опасность взрывов в связи с возможной утечкой водорода из закрытой системы очень велика. В дополнение к этому содержание водорода при повышенных температурах и давлении является трудной проблемой и требует применения для баллонов и трубопроводов специальных материалов, не подверженных «водородной» хрупкости.

Температура плавления равна -262°С, температура кипения равна -252,8°С, критическая температура — 33,24К, критическое давление — 1,297МПа, Плотность водорода составляет 89,88*10-3 кг/м³, p=70,8 кг/м³ (при t=-252,8° C), p =76,0 кг/м³ (при t=-262° C).

Метан. Требует меньших затрат на прокачку, чем водород, но из-за сильной диссоциации уже при 770 К используется исключительно в низкотемпературных установках.

Критическая плотность равна 160кг/м³, критическая температура — 190,6К, критический объем — 100*10-6 м³/моль, критическое давление равно 4,63Мпа. Плотность метана составляет 466 кг/м3 (при t=-164°С). Температура кипения равна -164°С, температура плавления равна -182,48°С, удельная теплоёмкость равна 35,71 Дж/моль·К.

Гелий. Также, как и водород, гелий соответствует требованиям теплопередачи и имеет низкое сечение поглощения нейтронов. Обладая химической инертностью, гелий используют в качестве охладителя.

Его высокая стоимость является существенным недостатком, вследствие чего, а также в связи с проблемами герметизации системы высокого давления, гелий в качестве рабочего охладителя реактора не использовался. Однако возможность использования гелия должна учитываться в будущем в усовершенствованных конструкциях, особенно в газотурбинных энергосистемах с замкнутым циклом.

Плотность гелия составляет 0,17847 кг/м, температура кипения равна 4,215K (для 4He), теплоёмкость — 1кДж/моль·К. При нормальном давлении жидкий гелий не удается превратить в твердое вещество даже при температурах, близких к абсолютному нулю (0К). При давлении около 3,76 МПа температура плавления гелия равна 2К.

Двуокись углерода. Это объясняется успешной работой энергетических реакторов, например, реакторов «Колдер-холл», построенных в Великобритании. Хотя в реакторе этого типа имеются недостатки в системах теплопередачи, но невысокие затраты энергии на перекачку охладителя, низкое сечение поглощения нейтронов охладителем, надежность, малая стоимость и химическая совместимость двуокиси углерода с компонентами активной зоны перевешивают эти недостатки.

Критическая плотность равна 468кг/м³, критическая температура — 304,15К, критическое давление — 7,387МПа. Плотность составляет 0,001977 кг/м³; Удельная теплоемкость равна 37,11 Дж/моль·К.

Азот. Плотность составляет 1,2506кг/м3, p=808кг/м3 (при t=-195,8°С); Температура кипения равна -210,012°С. Критическая температура равна 126,25К, критическое давление — 3,999МПа.

В случае газового охлаждения реактора затраты энергии на перекачку теплоносителя достигают величины около 20% выработанной энергии, в то время как для воды эта величина составляет 5-6%. За счет значительных затрат на перекачку теплоносителя полный КПД установки остается все же низким, несмотря на то, что тепловой КПД установки может быть высоким.

Для улучшения теплопередающих свойств газов и уменьшения затрат на перекачку, а в конечном счете для получения большей полезной мощности от реакторов газовый теплоноситель обычно используют под давлением в несколько десятков атмосфер. Применение повышенных давлений требует создания надежной герметичности циркуляционного контура, что является весьма сложной конструктивной задачей. В настоящее время давление газового теплоносителя в энергетических ядерных установках еще невелико и обычно не превышает нескольких десятков атмосфер. Однако совершенно очевидна тенденция к дальнейшему увеличению давления теплоносителя.

Органические жидкости

Реактор с органическим теплоносителем — ядерный реактор, использующий в качестве теплоносителя органические жидкости, имеющие хорошие замедляющие свойства и высокую температуру кипения при атмосферном давлении.

В качестве органических теплоносителей используются как отдельные полифенилы так и их смеси. Полифенил является производным бензола и включает два или более ароматических кольца. Также применяются дефинильные смеси и производные ароматики метана.

Основные недостатки реакторов с органическими теплоносителями обусловлены заниженными по сравнению с водой теплопередающими свойствами углеводородов и их термическим разложением.

Первый недостаток может быть частично компенсирован созданием в активной зоне больших поверхностей теплосъема и больших температурных перепадов. Высокая температура кипения полифенилов позволяет иметь температурные напоры, по крайней мере, в 2 раза превышающие напоры, которые обычно принимаются для водяных систем, не опасаясь поверхностного кипения. Это приводит к увеличению интенсивности теплоотвода. Некоторые органические материалы как охладители имеют определенное преимущество перед водой благодаря своим более высоким точкам кипения.

Жидкие металлы

Для нагрева до температур 400-800 °С и выше в качестве высокотемпературных теплоносителей могут быть эффективно использованы литий, натрий, калий, свинец, ртуть и другие металлы. Они используются в жидком и парообразном состоянии. Эти теплоносители отличаются большой плотностью, термической стойкостью, хорошей теплопроводностью и высокими коэффициентами теплоотдачи.

Воздух

На ранней стадии разработок реакторов часто рассматривалась возможность использования воздуха в качестве охладителя для реактора. В действительности воздух использовался первоначально в Стэгфилдском реакторе, а позднее в Брукхейвенском исследовательском реакторе. Однако по мере увеличения мощности реактора низкий коэффициент передачи тепла воздухом приобрел важное значение. Стало ясно, что в энергетических реакторах энергия, поглощаемая при перекачке воздуха через систему охлаждения, будет составлять значительную часть общей производимой энергии. Дополнительный недостаток воздуха как охладителя заключается в возникновении химической реакции при повышенных температурах между кислородом и азотом, с одной стороны, и компонентами в активной зоне и конструкции реактора — с другой. Следовательно, использование воздуха в качестве охладителя ограничивается исследовательскими реакторами с малой мощностью, отнесенной к единице объема, где неэффективность применения воздуха в качестве охладителя возмещается простотой системы. Искусственная радиоактивность воздуха является результатом образования аргона и относительно несущественна, так что воздух может быть выпущен через высокую дымовую трубу.

Имеет низкую теплоемкость. В связи с этим, перенос воздухом такого же количества теплоты, (в сравнении с теплоносителем — вода) необходимо использовать значительно больше энергии на транспортировку воздуха, по сравнению с транспортировкой воды. Рационально будет использовать воздух в качестве теплоносителя при совмещении функций вентиляции и отопления помещений.