4 Свойства натриевого теплоносителя

4.1 Основные свойства натрия как теплоносителя

К теплоносителю любой реакторной установки предъявляются следующие требования. Он должен обеспечивать удовлетворительный теплосъем с активной зоны реактора, иметь высокую температуру кипения, высокий коэффициент теплопередачи, низкую коррозионную активность, совместимость с топливом и конструкционными материалами. Кроме того, теплоноситель должен иметь низкие стоимость, наведенную активность, температуру плавления, быть пожаро- и взрывобезопасным.

Поэтому для реакторов различных типов в зависимости от конкретных требований в качестве теплоносителя используют воду, органические жидкости, газы и т.п. Для быстрых реакторов применяют вещества с низкими сечениями замедления поглощения нейтронов: натрий, водяной пар, гелий, диссоциирующий газ. Наибольшее распространение получил натрий.

Основные свойства натрия, которые делают его предпочтительным теплоносителем, - небольшие сечения поглощения и рассеяния нейтронов, высокие температура кипения, скрытая теплота парообразования и коэффициент теплопередачи, коррозионная пассивность по отношению к нержавеющей стали, топливу, высокие теплостойкость и температура замедления. Последнее позволяет проводить работы на участках с замороженным теплоносителем. Натрий имеет высокую термическую стойкость, низкую вязкость при рабочих температурах и для его прокачки можно применять надежные, не имеющие движущихся частей электромагнитные насосы.

Основные недостатки натриевого теплоносителя: его высокая химическая активность по отношению к воде, воздуху, пожароопасность, высокая наведенная радиоактивность.

4.2 Физико-химические свойства натрия.

Натрий серебристо-белый щелочной металл с удельным весом 0,95 г/см³ при 20⁰С, температура плавления -98⁰С, температура кипения -883⁰С, минимальная температура воспламенения в воздухе -200⁰С.

Натрий- один из наиболее химически активных элементов, на воздухе теряет металлический блеск и покрывается пленкой, которая частично защищает твердый натрий от дальнейшего окисления. Большинство реакций с натрием идет со значительным выделением тепла.

Натрий и кислород при комнатной температуре взаимодействуют с образованием окиси и перекиси натрия. Расплавленный натрий в воздухе легко воспламеняется и горит с температурой 650С, образуя белый дым окиси и перекиси натрия.

Натрий энергично взаимодействует с кислородом, водой, кислотами, спиртами, галогенами, галоидзамещенными углеводородами, аммиаком, фосфором, хлором, фтором, ртутью, причем часто реакции сопровождаются самовоспламенением, взрывом. При нагревании натрий активно взаимодействует с водородом, углеродом, оксидами углерода, диоксидом кремния, серой, силикатами, оксидами ряда металлов.

Не взаимодействует натрий с инертными газами, кремнием, парафином и обезвоженным керосином, бензином, минеральным маслом. До температуры 400⁰С натрий не взаимодействует с сухим азотом.

Биологическое воздействие натрия и его соединений основано на явлении химического ожога. При попадании на поверхность тела, особенно на слизистые оболочки и глаза, натрий и его продукты соединений взаимодействуют с влагой кожи, глаз и слизистых оболочек, что приводит к поражению их теплом , образовавшимся в результате этой реакции. На коже возникают глубокие, труднозаживающие ожоги. Глазная ткань повреждается на большую глубину и во многих случаях возможно ухудшение и полная потеря зрения. Жидкий и горящий натрий оказывают дополнительные термические ожоги.

При вдыхании аэрозолей и дымов происходит поражение дыхательных путей и легких, при заглатывании - поражение желудочно-кишечного тракта.

Особенно опасно внутреннее поглощение продуктов взаимодействия радиоактивного натрия-24, действие которого (кроме химического воздействия) сводится к изменению деятельности коры головного мозга, желудочной секреции и морфологического состава крови.

Выводится натрий из организма в основном через кишечник.

Предельно-допустимые концентрации гидроксида натрия в воздухе рабочей зоны -0,5 мг/м³ (а натрия-24 при удельной его активности в натрии 1 контура 20 Ки/кг - 0,007 мг/м³), в атмосферном воздухе - 0,01 мг/м³ .

Примечание: При концентрации аэрозольных продуктов соединений натрия около 50 мг/м³ видимость в помещении ограничивается 10-15 метрами, при концентрации 200 мг/м³ - видимость равна нулю.

4.3 Требования к качеству натрия

Жидкий натрий, используемый в ядерном реакторе в качестве теплоносителя, только условно можно считать чистым. На самом деле он представляет собой раствор, компонентами которого являются различные примеси. Состав раствора определяется многими факторами, и в первую очередь качеством исходного натрия, а также химическим составом и физическими характеристиками компонентов, с которыми контактирует жидкометаллический теплоноситель: трубопроводов, оборудования, защитного газа. В принципе возможна диффузия элементов атмосферы через стенку трубопроводов или проникновение среды другого контура через неплотности. В натрий первого контура попадают осколки деления ядерного топлива и даже само топливо при нарушении целостности оболочек тепловыделяющих элементов. В натрий второго контура проникает водород из третьего, пароводяного контура, что вызвано диффузией что вызвано диффузией через теплопередающую поверхность парогенератора. При нарушении герметичности теплопередающей поверхности парогенератора в натрий может попасть водяной пар и вода. Ясно, что в такой сложной системе могут протекать разнообразные химические и физические процессы. Влияние этих процессов при различных теплофизических параметрах на работоспособность конструкционных материалов и реакторной установки в целом тщательно изучается.

4.4 Причины появления примесей в натрии

Примеси в натрии действующего ядерного реактора можно подразделить на имевшиеся в исходном натрии и появившиеся в процессе эксплуатации установки как в нормальном режиме работы, так и при возникновении аварийных ситуаций и при проведении ремонтных работ. Примеси в исходном натрии зависят от применяемой технологии производства и используемого сырья.

В процессе монтажных и ремонтных работ на контурах установки поверхности оборудования и трубопроводов, контактирующие с натрием, загрязняются материалами, используемыми при проведении технологических операций, и в результате образования химических соединений при взаимодействии конструкционных материалов с воздухом. Такое взаимодействие особенно интенсивно идет при выполнении сварки сталей с последующим высокотемпературным отжигом. Недостаточно тщательно проведенная расконсервация оборудования и материалов, требующих в процессе хранения защиты от атмосферной коррозии, приводит к дополнительному загрязнению поверхности контуров.

При проведении работ в системе, в которой ранее уже находился натрий, неизбежны загрязнения продуктами взаимодействия остатков теплоносителя с воздухом. Основные загрязнения будут состоять из гидроксида и карбоната натрия. Толщина пленки натрия, остающейся на поверхности оборудования после дренирования теплоносителя, составляет 5-10 мкм, и её взаимодействие с воздухом заканчивается за 10 мин.

Основными источниками примесей в процессе эксплуатации являются: защитный газ, конструкционные материалы, продукты ядерных реакций и осколки деления, проникновение примесей за счет диффузии и через имеющиеся неплотности.

Примеси из конструкционных материалов поступают за счет коррозии, взаимодействия натрия с газами, адсорбированными поверхностями, и с оксидными пленками. Происходит также выделение примесей, растворенных в металле, и селективное растворение отдельных химических элементов, входящих в состав стали.

Количество газа, адсорбированное поверхностью металла, невелико и для кислорода и других газов, по оценке, может составлять 5*10^-4 г/м².

Количество кислорода, которое может поступить в натрий в результате восстановления оксидных пленок на нержавеющей стали, оценивается в 3*10^-3 г/м².

Основными примесями, поступающими в натрий из сталей Х18Н10Т и 1Х2М, являются водород в количестве 4,4*10^-3 и 6,4*10^-3 г/кг соответственно (выделяется при температуре 400 ⁰С и выше за время около 20 часов) и кислород до 0,05 г/кг (выделяется из стали Х18Н10Т при температуре выше 500 ⁰С за время 1000 часов).

Источниками примесей углерода в контуре могут служить сталь, масла, попадающие из системы смазки центробежных насосов, графит из устройства очистки натрия от радиоактивного цезия.

Поток водорода из третьего контура за счет диффузии через теплопередающую поверхность парогенератора составляет величину приблизительно 1*10^—8 г/(м²*с).

При нарушении целостности трубок парогенератора в натрий второго контура попадает от нескольких килограммов до десятков килограммов воды.