сравнение эффективности различных теплоносителей

Федеральное Агентство по образованию РФ Томский Политехнический Университет Физико-технический факультет Кафедра 21 Сравнительный анализ эффективности различных теплоносителей Реферат по дисциплине Материалы ядерных установок Выполнил Студент гр. 0830 Кузин А.С. Проверил Преподаватель Степанов Б.П. Томск-2006 Содержание Введение 1. Требования к теплоносителям 2. Виды теплоносителей 1. Газовые теплоносители 2. Вода 3. Жидкие металлы 4. Органические материалы 5. Неорганические материалы 3. Особенности использования газовых теплоносителей 4. Особенности использования ЖМТ 5. Особенности использования органических теплоносителей 16 6. Особенности использования водных теплоносителей 17 Заключение 19 Приложения 21 Список литературы 23 Введение Эксплуатация теплоносителей энергетических ядерных реакторов существенно отличается от эксплуатации теплоносителей в обычных теплоэнергетических установках.

Это связано с особенностями конструкции реакторов, схемами преобразования тепла в электрическую энергию, а также с действием радиоактивных излучений на теплоноситель.

При выборе теплоносителя для энергетического ядерного реактора необходимо учитывать многие свойства теплоносителей, которые не имеют значения при проектировании обычных тепловых установок.

Например, практически любой теплоноситель после некоторого времени его эксплуатации в ядерном реакторе становится радиоактивным. Величина радиоактивности теплоносителя часто оказывается столь высокой, что необходимы специальные меры защиты обслуживающего персонала от вредного воздействия излучений. Надежная длительная эксплуатация ядерного реактора может быть осуществлена только в том случае, если обеспечивается достаточно интенсивный отвод тепла от ядерного горючего и замедлителя.

В противном случае температура в активной зоне реактора может подняться до недопустимо высоких значений, что приведет к разрушению реактора. Интенсивность отвода тепла от горючего в большой мере определяется теплофизическими свойствами теплоносителя, основными из которых являются плотность, теплоемкость, теплопроводность и вязкость. Кроме этих тепловых свойств, при выборе теплоносителя энергетической ядерной установки необходимо учитывать давление его насыщенных паров, величина которого часто определяет давление в контуре теплоносителя, а иногда и в корпусе реактора, если в качестве замедлителя нейтронов используется вещество самого теплоносителя.

Теплофизические свойства теплоносителей весьма различны и существенно зависят от температуры и давления. Поэтому может оказаться, что определенный теплоноситель, являющийся вполне удовлетворительным по своим тепловым свойствам при одних температурах и давлениях, может оказаться совершенно непригодным при других.

Например, вода мало применима в высокотемпературных реакторах, так как ее использование требует создания большого давления в контуре. Наоборот, при умеренных температурах, когда давление ее насыщенного пара сравнительно невелико, вода является вполне пригодным теплоносителем. Одной из важных инженерных проблем ядерной энергетики является проблема выбора конструкционных материалов, устойчивых к коррозионному воздействию теплоносителя. Вопросы коррозионной устойчивости конструкционных материалов в энергетических ядерных установках являются более сложными, чем в обычных.

Это обусловлено тем, что, во-первых, значительная коррозия конструкционных материалов может привести не только к выводу из строя отдельных узлов реактора, но и к опасному загрязнению теплоносителя радиоактивными продуктами коррозии во-вторых, вследствие радиолиза теплоносителя, в нем могут появиться вещества, обладающие значительно большей коррозионной активностью по отношению к выбранному конструкционному материалу, чем вещество теплоносителя.

Например, при применении в качестве теплоносителя даже полностью деаэрированной чистой воды при работе реактора нельзя избежать появления в ней свободного кислорода, который является окислителем. Вода является наиболее распространенным теплоносителем в энергетических ядерных установках. Ее широкое использование обусловлено рядом причин. Во-первых, по своим ядерно-физическим и теплопередающим свойствам вода является одним из лучших теплоносителей.

Во-вторых, запасы воды практически неограниченны, ее стоимость незначительна и она имеется всюду. И, наконец, в энергетике накоплен большой опыт по использованию воды и ее пара в теплоэнергетических установках получение чистой воды, не содержащей растворенных солей и газов, выбор соответствующих конструкционных материалов и т.п С развитием химической промышленности в качестве теплоносителей в различного рода теплотехнических установках все большее практическое применение находят органические жидкости.

В настоящее время они уже довольно широко используются в ядерной энергетике. Преимущества использования в ядерной энергетике органических теплоносителей по сравнению с водой заключаются в следующем. Во-первых, многие углеводороды обладают значительно более низким давлением насыщенного пара, чем вода при той же температуре, что позволяет осуществить высокотемпературный теплоэнергетический цикл при низком давлении теплоносителя в контуре.

Во-вторых, углеводороды, как правило, химически пассивны ко многим конструкционным материалам, что позволяет использовать в установках обычные углеродистые стали и другие доступные и дешевые материалы. Углеводороды практически не взаимодействуют с ураном. Кроме того, наведенная радиационная активность углеводородов незначительна. Основной недостаток органических соединений заключается в их сравнительно низкой термической и радиационной стойкости. Именно по этой причине использование углеводородов в ядерной энергетике существенно задержалось.

Проведенные в последние годы исследования показали, что среди органических соединений имеются вещества, обладающие достаточной термической и радиационной стойкостью, и их можно применять в ядерной энергетике. Весьма перспективным является использование в качестве теплоносителей энергетических ядерных реакторов жидких металлов, хотя еще нет крупных энергетических установок, работающих с жидкометаллическим охлаждением. Опыт эксплуатации экспериментальных реакторов убеждает в том, что в недалеком будущем такие реакторы будут созданы.

Это будут ядерные реакторы на промежуточных или быстрых нейтронах. Имеется большое количество газов, пригодных для использования в качестве теплоносителей энергетических установок. Однако только три газа представляют в настоящее время практический интерес для энергетических ядерных реакторов гелий, углекислый газ и воздух. Недостаточно высокая термическая устойчивость не позволяет применять в качестве теплоносителей многоатомные газы и пары большинства органических веществ, так как уже при температурах порядка 500оС они существенно диссоциируют или разлагаются.

Из-за существенного коррозионного воздействия практически неприменимы такие химически активные газы, как кислород, водород, окись углерода и др. Неблагоприятные свойства ядер атомов, малая доступность, дороговизна и другие причины ограничивают применение таких инертных газов, как неон, ксенон, аргон и др. Таким образом, имеется большое число разнообразных веществ, которые могут быть использованы в качестве теплоносителя.

Прежде чем остановиться на каком-либо конкретном веществе, необходимо рассмотреть его свойства, сопоставить их с аналогичными свойствами других веществ, которые могут быть использованы для охлаждения, и выяснить его преимущества. Только тщательный анализ всех особенностей выбранного теплоносителя позволит экономично, длительно и безопасно эксплуатировать энергетическую ядерную установку.

Требования Независимо от назначения ядерного реактора тепло, выделяющееся в процессе деления ядер, должно отводиться со скоростью, обеспечивающей предупреждение перегрева в рабочей зоне реактора выше предельной температуры, определяемой свойствами компонентов активной зоны реактора. Это тепло может быть первичным или вторичным продуктом работы реактора и может в дальнейшем использоваться или просто удаляться. В любом случае для отвода тепла существенную роль играет теплопередающая среда.

Эта среда по необходимости является жидкой или газообразной. К жидким материалам-охладителям относятся вода и водные растворы, металлические расплавы, органические и неорганические жидкие охладители. Некоторые материалы, представляющие каждую из этих групп, использовались в реакторах, либо рассматривался вопрос о применении их в реакторах. При выборе материала для использования в качестве охладителя учитываются следующие требуемые характеристики 1 низкая точка плавления 2 высокая точка кипения 3 малая стоимость 4 совместимость с обычными материалами 5 высокий коэффициент теплопередачи 6 малая стоимость перекачивания 7 тепловая устойчивость 8 стойкость к воздействию излучений 9 низкая искусственная наведенная радиоактивность. Если используется ядерный реактор на тепловых нейтронах, то важны еще две дополнительный характеристики 10 малое сечение захвата нейтронов 11 замедляющая способность охладителя.

ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ. Температура плавления имеет значение только для жидких материалов.

Наиболее очевидным преимуществом низкой температуры плавления является удобство работы реактора. Высокая температура плавления потребует наличия вспомогательной и нагревательной системы для обеспечения плавления охладителя до пуска реактора и усложнит охлаждающую систему. Имеют значение и некоторые другие факторы при работе реактора, определяющие предел температуры плавления охладителя. Они могут быть весьма сложными, особенно в случае с энергетическим реактором.

Например, большинство горючих материалов имеет определенную максимально допустимую температуру для урановых сплавов она, например, составляет около 650оС. При этих условиях температура охладителя на входе должна быть от 150 до 250оС, чтобы обеспечить достаточный перепад температур для эффективной работы между топливом и охладителем. В теплообменнике энергосистемы существует возможность замораживания охладителя в бойлере, если точка замерзания охладителя выше, чем температура поступающей в бойлер питающей воды. ТОЧКА КИПЕНИЯ. Ограничиваясь рассмотрением энергетических реакторов, следует отметить, что для эффективного преобразования тепловой энергии реактора в электрическую энергию необходимо максимально возможная температура охладителя на выходе.

Если эта максимальная температура не определяется наивысшей допустимой температурой горючего или соображениями коррозии, то она определяется точкой кипения охладителя. Точка кипения может быть, конечно, повышена путем увеличения давления в системе циркуляции охладителя.

Однако это усложняет конструкцию и работу реактора и увеличивает общую стоимость системы. Следовательно, желательно выбрать охладитель таким образом, чтобы максимальная его температура на выходе определялась не точкой кипения охладителя, а рабочей температурой топливного элемента. СТОИМОСТЬ. Желательность применения более дешевого охладителя очевидна. Объем охладителя в большом энергетическом реакторе значителен, и его стоимость как часть стоимости реактора оказывает прямое влияние на стоимость производимой энергии. СОВМЕСТИМОСТЬ. Проблема коррозионного влияния охладителя на материалы трубопровода, вентилей, насосов и теплообменника теплопередающей системы очевидна.

Стоимость компонентов этой системы составляет значительную часть стоимости реактора, а замена их может оказаться дорогой операцией. Поэтому важно, чтобы коррозионное влияние охладителя на материал конструкции охладительной системы было минимальным. Соображения стоимости также заставляют применять в конструкции обычные материалы.

В системах охлаждения реакторов находят применение нержавеющие стали или некоторые никелевые сплавы. Различие в стоимости этих материалов и в стоимости циркония, молибдена и подобных им металлов заставляет использовать последние только по весьма специальным назначениям. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА. Общая эффективность реактора в значительной степени зависит от коэффициента теплопередачи охладителя. Высокий коэффициент теплопередачи охладителя дает возможность получить высокую удельную мощность в активной зоне реактора.

Этим сокращаются капитальные затраты на реактор и горючее. Теплопередающая поверхность теплообменников при использовании охладителя с высоким коэффициентом теплопередачи сокращается, что снижает стоимость реактора. Поскольку коэффициент теплопередачи определяется частично плотностью, удельной теплоемкостью и теплопроводностью, эти свойства следует учитывать при любой оценке охладителя. Другой важной характеристикой материала для охладителя, зависящей от его физических свойств, является энергия, требуемая на перекачивание охладителя.

Ясно, что не экономично тратить большой процент общей производимой энергии в энергетическом реакторе на перекачивание охладителя. В этом случае важными факторами оказываются плотность, удельная теплоемкость и вязкость охладителя. ТЕПЛОВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОТИВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЙ. Тепловая устойчивость против воздействия излучений является необходимым свойством охладителя.

Любое нарушение состава материала не только изменяет его свойства как охладителя, но и может вызвать серьезные осложнения в работе реактора. Эти осложнения могут возникнуть, например, в результате образования газов, вызывающих повышение давления в системе, или в результате образования осадков на поверхностях теплообменника, что изменяет скорость теплопередачи через эти поверхности. ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ. Затраты на защиту частей системы теплообменника, открытых по отношению к активной зоне реактора, определяются радиоактивностью, наводимой в охладителе.

Наличие радиоактивности требует дополнительную защиту и осложняет ремонт системы, особенно теплообменника. Поэтому образование долгоживущих и радиоактивных изотопов в охладителе весьма нежелательно и возможность образования их должна учитываться при выборе охлаждающей среды. ЗАХВАТ НЕЙТРОНОВ. Поскольку использование нейтронов с полезной целью оказывает огромное влияние на общую стоимость получаемой в реакторе энергии, нужно добиваться присутствия в ядерном реакторе на тепловых нейтронах минимальных количеств элементов, способствующих паразитному захвату нейтронов.

Так как величина объема охладителя стоит на втором месте после объема замедлителя, очевидна важность значения сечений захвата нейтронов ядрами атомов, присутствующих в массе охладителя. Отсюда ясны преимущества малого сечения поглощения нейтронов в охладителе. Так как полное сечение захвата нейтронов зависит от объема материала, такие свойства, как удельная теплоемкость и коэффициент теплопередачи, оказывающие влияние на этот объем, необходимо одновременно учитывать при оценке качества охладителя.

ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ. Ядерные реакторы на тепловых нейтронах имеют определенное преимущество, если охладитель в них способен выполнять функции замедлителя. Применение охладителя, одновременно являющегося замедлителем, привело бы к значительному сокращению размеров, а следовательно, и стоимости реактора.

Кроме того, высокая замедляющая способность охладителя желательна с точки зрения увеличения коэффициента безопасности реактора, так как она создает возможность потери радиоактивности одновременно с утечкой части охладителя в случае аварии. Для реактора, работающего на быстрых нейтронах, любая повышенная способность охладителя замедлять нейтроны является недостатком. В этом реакторе необходимо всемерно избегать потери энергии нейтронов деления до их захвата. Любой материал, который может способствовать такой потере энергии, автоматически должен исключаться из рассмотрения.

Другим фактором, заслуживающим внимания при выборе охладителя для энергетических реакторов, является проблема возможной реакции охладителя с работающей жидкостью обычно с водой. Передача тепла от охладителя реактора к воде осуществляется в теплообменнике, где возможен контакт между этими двумя жидкостями в случае утечки. Сильная реакция между этими жидкостями может вызвать серьезные повреждения теплообменника и, кроме того, привести к рассеянию радиоактивности, если охладитель обладает искусственной радиоактивностью.

Там, где такая реакция возможна, требуются дополнительные затраты на промежуточную охлаждающую петлю, содержащую жидкость, инертную по отношению как к основному охладителю, так и к рабочей жидкости. Выбор материалов, представляющих интерес для применения в качестве охладителей, в значительной степени зависит от назначения реактора. Обычно в качестве критериев при рассмотрении потенциальных материалов для охладителя принимают произвольный предел 250-260оС для значения точки плавления и максимальное микроскопическое сечение поглощения нейтронов охладителем около 0,3 см-1.

Виды теплоносителей

Об этом преимуществе можно судить по тому, что для эквивалентного отво... Жидкие металлы являются единственными теплоносителями, удовлетворяющим... Эвтектический сплав Pb Bi содержит 44,5 вес. Физическими свойствами, которые следует учитывать при определении этог... Если рассматриваются реакторы на тепловых нейтронах, то, как видно из ...

Неорганические материалы

Неорганические материалы. Однако пока гидрат окиси натрия еще не был использован ни в каком реак... Однако расплавы солей обладают относительно низкой характеристикой теп... Четвертая группа материалов, которые могут рассматриваться с точки зре... Симмонс и Станг отмечают следующие благоприятные свойства гидрата окис...

Особенности использования газовых теплоносителей

Например, газовые реакторы наиболее безопасны. За счет значительных затрат на перекачку теплоносителя полный КПД уста... Вследствие интенсивного поглощения тепловых нейтронов процентное содер... Так как жидкие металлы имеют малую величину давления насыщенных паров,... Высокая теплопроводность металлических жидкостей приводит к тому, что ...

Особенности использования органических теплоносителей

Особенности использования органических теплоносителей. Энергетические ядерные установки с органическими теплоносителями подоб... Невысокая наведенная радиоактивность органического теплоносителя требу... Конструкции, рассчитанные на низкое давление, и легкая биологическая з... Поэтому органический теплоноситель предварительно должен быть тщательн...

Особенности использования водных теплоносителей

Затраты мощности на перекачку воды в теплообменном контуре невелики. О... Существует несколько посторонних источников возникновения наведенной а... Наличие долгоживущего изотопа Na24 в воде обуславливает радиоактивност... В водяных реакторах происходит постепенное накопление гремучей смеси н... Так как гремучая смесь взрывоопасна, то необходимо предпринимать меры ...

Заключение

Заключение В качестве заключения можно составить краткую таблицу преимуществ и недостатков рассмотренных теплоносителей Таблица 1 Тип теплоносителяДостоинстваНедостаткиИсполь зованиеГаз- Высокая температура кипения Малое поглощение тепловых нейтронов Возможность применения одноконтурных систем.

Небольшая плотность и низкие значения объемной плотности и коэффициента теплопроводности, Большие затраты удельной мощности на перекачку, Необходимость иметь высокое давление в реакторе Высокотемпературные реакторы с использованием гелия. Вода- Малая стоимость легкой воды Возможность использования одновременно в качестве охладителя и замедли- теля Потребление энергии для перекачивания воды сравнительно невелико Высокая теплоемкость.

Низкая точка кипения, Корродирование металлов, в т.ч. урана, Необходимость иметь высокое давление в реакторе, Стоимость тяжлой воды велика, Значительная наведенная радиоактивность продуктов коррозии. ВВЭР, РБМК. Реакторы на тяжелой воде могут работать на природном уране. Жидкие металлы- Низкое давление паров Высокая температура кипения Малый расход энергии на прокачивание Малое коррозионное и эрозионное воздействие на конструкционные материалы Лучшая молекулярная теплопроводность Малые сечения поглощения нейтронов Низкая способность замедлять нейтроны.

Большая химическая активность с водой, Требование применения дополнительных устройств, Низкое сопротивление радиационному воздействию, низкая способность замедлять нейтроны, Значительная наведенная радиоактивность, Стремление Nа просачиваться через контейнер, Активное коррозионное воздействие.

Для реакторов на промежуточных и быстрых нейтронах, а также реакторов-размножителей. Органические- Низкое давление в первичном контуре, химическая инертность к металлам Высокие замедляющие свойства Отсутствие значительной наведенной радиоактивности Слабое коррозионное воздействие. Высокая температура плавления, Термическая и радиационная нестойкость, Требуются очистительные устройства, Низкая характеристика теплопередачи. Редко используются в реакторостроении. Неорганические- Высокая температура кипения Возможность использования одновременно в качестве охладителя и замедлителя Хорошую устойчивость против повреждения от радиации Низкое давление паров гидрата окиси натрия при умеренновысоких температурах.

Низкая характеристика теплопередачи, Высокая коррозионная активность.часть программы по созданию авиационного ядерного двигателя.

Таблица 1 Свойства некоторых материалов с точки зрения возможности использования их в качестве охладителей в реакторах СвойстваНатрийNaKHTS1Даутерм А2РтутьСвинецЭвтектический Сплав Pb-BiЛитийВодаТемпература плавления, С97,518,3143,312,8-383271301860Температу ра кипения, оС 880825 252328174416701317100Плотность жидкости0,90,91,7 1310100,51Удельная теплоемкость0,330,280,370,650,0330,0340, 0351,051,015Теплопроводность 4915 0,105886240,41Коэффициент Теплопередачи Энергия, рас- ходуемая на перекачку для Н2О 10,9250,9251,920,92513,111,511,50,51Тепл оемкость для Н2О 10,240,1850,63 0,420,380,300,481 1 Теплопередающая соль, состоящая из NaNO2, NaNO3 и KNO3. 2 Эвтектическая смесь дифенила и окиси дифенила. 3 3мсек через трубку диаметром 25 мм. Таблица 2 Свойства материалов и значения коэффициента выигрыша в затрате энергии на перекачку МеталлMСкДtтуНLi771,3741,024500,530,0332 ,31020Bi209 0,0370,037380100,0156,61016Pb2070,0370,0 3932010,70,23,71012Na230,320,205500,930, 452,51013Sn1190,0640,084207,00,554,91011 К390,180,0136000,832,51,51011NaK30,60,29 0,0666000,881,132,41013BiPb2080,0370,026 53010,20,182,61013 Таблица 3 Некоторые физические характеристики для ЖМТ СвойстваМеталлыВiPbLiHgКNaNa-KТемператур а плавления, С271327,418639649819Температура кипения, С147717171317357760883825Удельная тепломкость, ккалкг С0,0380,0371,050,0330,1820,300,26Плотнос ть при температуре плавления, гсм310,010,70,6113,70,820,930,89Теплопро водность, Ккалмч С0,0370,0360,10,0390,200,170,068Раствори мость в уране при 500С, вес. 0,90,020,0125-Очень мала-Коррозионные свойства ХорошиеУдовл. Хорошие Сечение захвата тепловых нейтронов, барн0,0320,17673601,970,490,96

Список литературы

Список литературы 1. Копельман Б. Материалы для ядерных реакторов. М. Госатомиздат, 1959. 2. Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. 4-е изд. М. Атомиздат, 1979. 3. Улыбин С.А. Теплоносители энергетических ядерных установок М Л. Энергия, 1966. 4. Интернет-сайт ru.wikipedia.org.