3. Преимущества и недостатки судовых яэу

Использование ядерного топлива в судовой энергетике весьма перспективно, так как ЯЭУ имеют ряд преимуществ по сравне­нию с обычными энергетическими установками. Преимущест­вами ЯЭУ являются:

• высокая концентрация энергии в ядерном топливе, позво­ляющая исключить его запас на борту судна;

• редкая смена активной зоны реактора, которая произво­дится через 2—4 года, в то время как запасы органического топлива приходится пополнять через несколько недель;

• возможность работы установки без связи с окружающей средой (атмосферой), так как для работы ЯЭУ не требуется кислород и при ее работе не выделяются отработавшие газы;

• обеспечение большей по сравнению с обычными установ­ками скорости движения судна и практически неограниченной дальности и автономности плавания.

Применение ЯЭУ на судах имеет также и отрицательные стороны, а именно:

• работа реактора сопровождается вредными для людей из­лучениями, что требует установки громоздкой и тяжелой био­логической защиты;

• аварии ЯЭУ могут привести к тяжелым последствиям (облучение людей, заражение акваторий и др.);

• маневренные качества ЯЭУ ниже в сравнении с обыч­ными установками;

• стоимость ЯЭУ выше, чем обычных установок;

• удельные массовые характеристики судовых ЯЭУ в несколько раз превышают характеристики обычных установок.

Однако при оценке перспектив использования ЯЭУ на судах решающее значение имеет тот факт, что суда с ЯЭУ обладают преимуществами, которые практически невозможно достичь с помощью обычных установок. Речь идет о таких важнейших характеристиках, как скорость, дальность и автономность плав­ления, а также о возможности работы ЯЭУ без связи с окру­жающей средой.

4. Сведения о теплоносителях

Требования, предъявляемые к теплоносителям. Теплоносители предназначены для отвода теплоты из активной зоны реактора и передаче его в парогенераторе рабочему телу. Теплоносители должны обладать:

• высокими теплопередающими свойствами, при которых обеспечиваются хорошее охлаждение оболочек ТВЭЛов в реак­торе и малые габариты поверхности нагрева в парогенераторе;

• высокими значениями плотности и удельной теплоемкости; чем выше плотность и теплоемкость, тем большей энергией при данной температуре обладает единица объема теплоносителя и тем меньше требуется массовый расход теплоносителя и затра­чиваемая мощность на его перекачку;

• высокой температурой кипения; чем выше температура кипения, тем ниже давление в первом контуре, которое необхо­димо поддерживать для предотвращения закипания теплоноси­теля;

• низкой температурой плавления; при температуре плав­ления выше 15—20 °С необходимо иметь специальную систему для подогрева и расплавления теплоносителя перед пуском ус­тановки;

— .малой коррозионной активностью, низкой стоимостью и безопасностью в эксплуатации.

В качестве теплоносителей используют жидкости и. газы. К жидким теплоносителям относят воду, расплавленные ме­таллы и органические вещества.

Водные теплоносители. Вода как теплоноситель получила самое широкое распространение. Она обладает хорошими теплопередающими свойствами (в этом отношении уступает только жидким металлам); высокой плотностью, малой вязкостью, низ­кой стоимостью, безопасна в обращении, приобретает умерен­ную наведенную радиоактивность. К недостаткам воды относят высокую коррозионную активность и низкую температуру ки­пения.

Из-за высокой коррозионной активности воды элементы пер­вого контура приходится изготавливать из дорогостоящих мате­риалов.

Низкая температура кипения воды приводит к необходимости поддерживать весьма высокое давление в первом контуре: до 15—20 МПа. Но даже при таких высоких давлениях воды пара­метры рабочего пара во втором контуре получаются относи­тельно низкими, а следовательно, низок и к. п. д. всей установки.

Жидкометаллические теплоносители. В качестве теплоноси­телей могут применяться металлы, имеющие относительно низ­кую температуру плавления. К таким металлам относят натрий, калий, сплав натрия с калием, ртуть, литий, свинец, висмут, сплав свинца с висмутом, олово.

Высокие теплопередающие свойства и высокая температура кипения жидких металлов позволяют нагревать их в реакторе до высоких температур при низком давлении в первом контуре. Поэтому параметры рабочего пара по сравнению, например, с параметрами при водном теплоносителе получают более вы­сокими, что благоприятно сказывается на величине к. п. д. уста­новки.

За рубежом в стационарной энергетике наибольшее приме­нение получили щелочные металлы: натрий, имеющий темпе­ратуру плавления 97,7 °С, и сплав натрия с калием, температура плавления которого ниже нуля (—11°С). К недостаткам этих металлов относят их высокую химическую активность при кон­такте с рабочим телом — водой и паром. При контакте с рабо­чим телом щелочные металлы вступают в химическую реак­цию, в результате которой выделяются значительное количество теплоты и горючий газ — водород. А это, в свою очередь, может привести к локальному взрыву и пожару. Поэтому в парогене­раторах, в которых теплоносителем служат щелочные металлы, применяют специальные меры для предотвращения даже слу­чайного контакта между теплоносителем и рабочим телом.

Щелочные металлы обладают еще одним недостатком: про­ходя через активную зону реактора, они сами становятся радио­активными, причем эта наведенная радиоактивность имеет от­носительно большой период полураспада. Например, период по­лураспада радиоактивного натрия составляет около 15 ч. Это означает, что после выведения установки из действия осмотр и ремонт оборудования первого контура невозможны в течение нескольких суток.

ЯЭУ со щелочными металлами выполняют, как правило, трехконтурными, при этом парогенератор устанавливают в оби­таемом помещении для возможности его ремонта. Примени­тельно к судовым ЯЭУ использование трехконтурных установок нежелательно из-за увеличения массы и габаритов.

Для двухконтурных ЯЭУ более пригодны те металлы, кото­рые химически не взаимодействуют с рабочим телом. Напри­мер, свинец, сплав свинца с висмутом и особенно литий, который в наибольшей степени отвечает требованиям, предъявляемым к теплоносителям. К недостаткам этих металлов относят их вы­сокую температуру плавления (литий— 179 °С, свинец — 327 °С). Кроме того, применение лития связано с трудностями подбора конструкционных материалов, коррозионно-стойких в среде рас­плавленного лития.

Органические теплоносители. В качестве органических теп­лоносителей применяют углеводородистые соединения, такие, как дйфенил, трифенил, моноизопропилдифенил и др. Эти соеди­нения имеют высокую, по сравнению с водой, температуру ки­пения и, следовательно, могут быть нагреты до более высокой температуры при относительно низком давлении в первом кон­туре. Чистые органические теплоносители не активируются, об­ладают незначительной коррозионной активностью, нетоксичны.

К недостаткам органических теплоносителей относят низкие по сравнению с водой и расплавленными металлами теплопередающие свойства, что неблагоприятно сказывается на массе и габаритах установки. Кроме того, на перекачку органического теплоносителя затрачивается относительно большая мощность.

Однако главным недостатком органических теплоносителей является их способность к полимеризации под воздействием ней­тронного и гамма-излучения. Поэтому при использовании орга­нического теплоносителя нужно иметь специальную систему для его очистки и цистерны для запасов теплоносителя и хранения продуктов полимеризации.

Газовые теплоносители. Газовые теплоносители можно на­гревать до высокой температуры при атмосферном давлении, они обладают малой коррозионной активностью, приобретают слабую наведенную радиоактивность, безопасны в обращении.

Существенными недостатками газовых теплоносителей яв­ляются их плохие теплопередающие свойства и низкие значе­ния массовой плотности и теплоемкости. Вследствие этих недо­статков ЯЭУ с газовыми теплоносителями получаются тяже­лыми и громоздкими, при этом значительная часть мощности установки затрачивается на перекачку газов по контуру.

Из сказанного следует, что ЯЭУ с газовыми теплоносите­лями могут найти применение на таких судах, для которых главную роль играет экономичность, а масса и габариты имеют второстепенное значение.

Из газовых теплоносителей наиболее подходящими явля­ются азот, углекислый газ и гелий.