рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Виды теплоносителей

Работа сделанна в 2006 году

Виды теплоносителей - Реферат, раздел Физика, - 2006 год - сравнение эффективности различных теплоносителей Виды Теплоносителей. Газовые Теплоносители На Ранней Стадии Разработок Реакто...

Виды теплоносителей. Газовые теплоносители 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. Водород представляет интерес с точки зрения требований теплопередачи и небольшой затраты энергии на его перекачку, а также в отношении малого сечения 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. Хотя гелий и менее интересен с точки зрения теплопередачи, чем водород, благоприятная характеристика низкое сечение поглощения нейтронов и химическая инертность делают заманчивым его использование в качестве охладителя.

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

В настоящее время наиболее широко используемым газообразным охладителем является двуокись углерода. Это объясняется успешной работой энергетических реакторов типа реактора 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.

Азот, конечно, заслуживал бы внимания как охладитель, если бы не его неблагоприятная ядерная характеристика. У азота не только исключительно большое сечение поглощения нейтронов, но, кроме того, образование С14 при действии нейтронного потока на азот приводит к проблеме наведенной активности, которую нельзя игнорировать.

Вода Вода, очевидно, является наиболее известным из теплоотводящих материалов, особенно в области электроэнергетики. Вода представляет интерес в качестве охладителя для ядерных реакторов. Она дешева. Ядерные свойства воды удовлетворительны как в отношении сечения поглощения нейтронов, так и в отношении искусственной радиоактивности. Особенно важным является то обстоятельство, что вода в реакторах некоторых конструкций может служить одновременно замедлителем и охладителем.

Эти свойства воды используют в реакторе для испытания материалов, в реакторе на тепловых нейтронах для энергосиловой установки подводной лодки Наутилус и в реакторе, охлаждаемом водой под давлением. Потребление энергии для перекачивания воды сравнительно невелико, что является определенным преимуществом воды перед газообразными охладителями. Об этом преимуществе можно судить по тому, что для эквивалентного отвода тепла потребность энергии на откачку воды составляет примерно 110 потребности в энергии для откачивания газообразного охладителя при давлении 10 атм. 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. Такие системы являются частью энергосилового реактора Наутилуса и реакторов, охлаждаемых водой под давлением. Независимо от усложнений механического характера, возникающих в системах, охлаждаемых водой под давлением, коррозионная активность воды при таких условиях становится особенно угрожающей. Материалы конструкции таких систем должны отвечать требованиям высокой коррозионной устойчивости наряду со способностью выдерживать напряжения, возникающие при высоких давлениях.

Большое внимание должно быть уделено явлению радиационного разложения воды. Хотя это разложение можно свести к минимуму с помощью соответствующей очистки воды, оно, тем не менее, представляет собой важную проблему, особенно в системах с большой плотностью нейтронов в активной зоне. Способность воды служить одновременно охладителем и замедлителем была, как указывалось, использована в ряде конструкций реакторов. Эффективность такого двойного применения может быть во много раз увеличена применением так называемой тяжелой воды, т.е. воды, содержащей дейтерий. Дейтерий обладает сечением захвата, примерно в тысячу раз меньшим, чем природный водород, и соответственно увеличенной способностью замедлять нейтроны.

Таким образом, реакторы на тяжелой воде могут работать на природном уране, не требуя более дорогого обогащенного ураном-235 топливного материала, который необходим при обычной воде. До настоящего времени высокая стоимость тяжелой воды ограничивала ее использование.

Недавно испытанная конструкция реактора, в котором в качестве охладителя применена вода и вместе с тем исключена проблема увеличения давления, получает ее большее одобрение. Это реактор типа водяной котел, в котором воде предоставляется возможность кипеть в активной зоне. В реакторе используется скрытая теплота кипения воды. Такая система имеет много достоинств, главным из которых является непосредственное образование пара и устранение теплообменников, а также сокращение затрат энергии на перекачку наряду с упомянутым устранением усложнений, возникающих при увеличении давления.

Кроме того, было найдено, что образование пузырьков пара приводит к тому, что реактор может стать самоуправляющимся. Жидкие металлические охладители При турбулентном течении жидкостей в трубах передача тепла осуществляется как за счет турбулентного перемешивания потока, так и путм молекулярной теплопроводности теплоносителя.

Жидкометаллические теплоносители обладают лучшей по сравнению с другими теплоносителями молекулярной теплопроводностью. Это определяет бомльшую долю тепла, переносимого за счт теплопроводности, и обеспечивает лучшие теплопередающие свойства жидких металлов, что в основном и определяет их широкое использование в качестве теплоносителей. Жидкие металлы являются единственными теплоносителями, удовлетворяющими всем требованиям в отношении теплоотвода и ядерных свойств, предъявляемым к энергетическим реакторам на промежуточных и быстрых нейтронах, а также к реакторам-размножителям. Высокая точка кипения, значительная теплоемкость и хорошая теплопроводность являются существенными свойствами хороших охладителей.

Чтобы выбрать охладитель, обладающий этими качествами, одновременно обеспечив его соответствующие ядерные характеристики, необходим тщательный анализ свойств имеющихся материалов. Висмут и свинец обладают малыми сечениями поглощения нейтронов, можно применить материалы с еще более низкой температурой плавления, получаемые при сплавлении этих обоих металлов. Эвтектический сплав Pb Bi содержит 44,5 вес. свинца и 54,5 вес. висмута и плавится при 125 С. Подобное же снижение точки плавления может быть достигнуто сплавлением между собою натрия и калия с образованием сплавов, содержащих от 45 до 85 калия.

Эти сплавы имеют точки плавления от 10 до -12 С. Благодаря относительно большому поперечному сечению калия концентрацию сплавов NaK для реакторов обычно выбирают в области, более богатой натрием. После выбора металлов и сплавов, обладающих удовлетворительным сочетанием значений точек плавления и сечений захвата, целесообразность их применения в качестве охладителей должна быть установлена на основании их способности служить в качестве теплопередающих сред. Физическими свойствами, которые следует учитывать при определении этого, являются молекулярный вес, теплоемкость, теплопроводность и плотность.

Китцес вывел, как он его назвал, коэффициент выигрыша в затрате энергии на перекачку.

Этот коэффициент служит для сопоставления качеств различных материалов и дает возможность оценить относительную эффективность различных жидкостей как охладителей. Этот коэффициент рассчитывают с помощью следующего выражения H где М молекулярный вес С теплоемкость k теплопроводность ДT произвольно выбранный диапазон температур между точкой плавления и 650 С т удельный вес у сечение захвата тепловых нейтронов. Если рассматриваются реакторы на тепловых нейтронах, то, как видно из таблицы 2, внимания заслуживает только тяжелый изотоп лития Li7. Этот изотоп содержится в количестве 92,5 в природном литии и может быть отделен от Li6, имеющего большее сечение.

В настоящее время затраты на разделение изотопов Li7 и Li6 исключительно велики и поэтому Li7 может использоваться только для весьма специальных целей. Для использования в реакторах на быстрых нейтронах литий представляет интересные возможности, если не учитывать, конечно, вопросы коррозии.

Использование висмута в конструкции реактора вкратце рассматривалось в связи с проблемой жидких металлических топлив. Благоприятная характеристика висмута при использовании его в качестве охладителя заставляет вновь рассмотреть его. Кроме эффектов коррозии, которые в случае применения висмута не являются серьезными, наиболее важным недостатком висмута и его сплавов как охладителей являются изменения, происходящие в висмуте под действием радиации. Bi209, из которого состоит весь природный висмут, подвергается реакции п, у при облучении его нейтронами, причем образуется Bi210 радий Е. Изотоп Bi210 излучает в-частицы и обладает пятидневным периодом полураспада с образованием в итоге изотопа Ро210. Последний изотоп испускает б-частицы большой энергии и обладает периодом полураспада 138 дней. Он очень токсичен и является одним из наиболее сильных известных физиологических ядов. В случае использования висмута в качестве основы жидкого топлива необходимо принимать меры предосторожности против активности продуктов деления и одновременно против действия полония.

Однако присутствие такого токсичного вещества, как Po210 в охладителе значительно осложняет эксплуатацию системы. Все эти проблемы могут быть разрешены на практике.

Висмут и эвтектический сплав свинца и висмута могут найти применение в реакторах, работающих при таких температурах, когда преимущества, даваемые высокой температурой кипения охладителя, оправдывают затраты на предохранительные мероприятия при обращении с облученным висмутом.

Как указывалось, тот факт, что висмут расширяется при затвердевании, создает дополнительную трудность, которая должна учитываться при конструировании системы циркуляции теплоносителя при использовании висмута. В рассматриваемой системе должны быть приняты меры предосторожности, чтобы охладитель никогда не смог бы затвердевать. Затвердевание охладителя и связанный с этим эффект расширения висмута могут привести к разрушению теплообменника и ряда других элементов конструкции реактора.

В отношении величины нейтронного сечения и характеристики теплопередачи жидкий натрий наиболее интересный материал для охладителя. Фактически это единственный металл, нашедший действительное применение в ряде уже построенных и действующих реакторов. Реактор на промежуточных нейтронах для энергосиловой установки подводной лодки Морской волк, как и его наземный прототип, имеют натриевое охлаждение. Натрий используется также в экспериментальном реакторе с графитовым замедлителем и натриевым охлаждением, и будет использован в реакторе того же типа в натуральном масштабе. В экспериментальном реакторе-размножителе в качестве охладителя применен сплав натрия и калия.

Этот реактор является реактором на быстрых нейтронах, и в нем недопустим охладитель, обладающий сколько-нибудь значительным замедляющим действием. В этих условиях необходим жидкий металлический охладитель, а низкая способность замедлять нейтроны, характерная для сплавов NaK, делает их применение в реакторах на быстрых нейтронах особенно выгодным. Кроме вопросов коррозии, которые будут рассматриваться ниже, наиболее серьезные трудности при использовании натрия и сплавов NaK связаны с их высокой активностью, возникновением значительной наведенной радиоактивности и стремлением просачиваться через контейнер.

Поскольку в энергетических системах тепло должно быть передано воде для образования пара, конструкция теплообменника, в котором теплоносителем служит натрий или сплав NaK, оказывается сложной.

Особое внимание должно быть уделено серьезным последствиям, которые могут возникнуть в реакторе, если вследствие утечки создастся контакт воды с натрием. Химические свойства натрия хорошо известны, особенно высокая скорость, с которой он реагирует с воздухом и с водой. Естественно, что эти свойства усиливаются при повышении температуры. Поэтому в натриевой системе охлаждения должна быть предусмотрена оболочка из инертных газов, а также приняты меры против возможного контакта натрия с водой. Последнее требование связано, как указывалось, с конструкцией теплообменника.

Обычное решение этой проблемы привело к использованию промежуточного слоя жидкости, как, например, ртути между натрием и водой. Необходимость изолирования воды в свою очередь выдвигает проблемы охлаждения ряда других элементов конструкции реактора регулирующих стержней и экранов, например, с помощью органических веществ. Несмотря на относительно малое сечение захвата нейтронов натрием, проблема наведенной радиоактивности для натрия имеет значение.

При захвате нейтрона Na23 превращается в Na24. Изотоп Na24 распадается с испусканием в-частиц. Он является также источником г-квантов большой энергии. Это заставляет принимать меры биологической защиты. В системе с натриевым охлаждением необходимо предусмотреть, кроме защиты активной зоны, биологическую защиту всей теплопередающей системы, внешней по отношению к активной зоне. Таким образом не только увеличиваются общие затраты, но и осложняется в определенной степени эксплуатация реактора.

К счастью, период полураспада Na23 составляет лишь 12,5 ч. Это до некоторой степени упрощает задачу благодаря тому, что период спадания радиоактивности облученного нейтронами натрия до допустимого ее уровня не очень велик. Высокая химическая активность натрия требует герметизации системы охлаждения. К сожалению, свойства натрия усложняют техническое решение этой задачи. По-видимому, вследствие сочетания низкой вязкости, небольшого удельного веса, малого поверхностного натяжения и характеристик смачивания различных твердых тел жидким натрием, последний может просачиваться через исключительно малые отверстия.

В системах, которые считаются герметичными при комнатной температуре, может обнаруживаться утечка натрия при повышенной температуре. Натрий может просачиваться через поверхности раздела между зернами аустенита и включениями карбидов в нержавеющей стали. Перечисленные обстоятельства требуют особого внимания при конструировании любой системы, в которой должен содержаться жидкий натрий при повышенной температуре.

Некоторое внимание в отношении возможности использования в качестве охладителя уделялось олову, главным образом благодаря его необычайно высокой температуре кипения, равной 2270С. Это свойство олова может быть использовано только в реакторах, работающих при очень высокой температуре в активной зоне. Однако исследования в области изучения применения олова как охладителя были весьма ограниченными.

Невозможность эффективного использования таких высоких температур в конструкциях реакторов является определенной помехой для применения олова в качестве охладителя. Вопросы коррозии при использовании олова в качестве охладителя являются весьма серьезными, и в связи с ограниченными возможностями рационального применения олова в системах охлаждения в реакторах исследований в этой области проводилось мало. Некоторые ядерные и теплофизические свойства жидких металлов, нашедших применение в технике реакторостроения, приведены в таблице 3. Органические охладители Некоторые органические материалы как охладители имеют определенное преимущество перед водой благодаря своим более высоким точкам кипения.

Независимо от этого высокие замедляющие свойства органических соединений делают особенно перспективными применение их в качестве охладителей. Другим достоинством органических соединений является то, что соединения-углеводороды в общем не склонны стимулировать развитие коррозии металлов и имеют очень низкий уровень искусственной радиоактивности.

Все эти факторы действуют в направлении сокращения общих размеров и стоимости реактора. Основные недостатки углеводородов связаны с относительно невысокой их тепловой устойчивостью и невысокой стойкостью против воздействия излучений. Кроме того, теплопередающие свойства углеводородов не очень благоприятны по сравнению с водой, главным образом из-за низкой теплопроводности. При конструировании реакторов представляют интерес компактные устройства небольших размеров.

С этой точки зрения органические материалы заслуживают внимания для использования в качестве охладителей и одновременно замедлителей. В США была осуществлена обширная программа исследований для определения номенклатуры соединений, обладающих достаточной устойчивостью. В результате было установлено, что бензольное ядро имеет наибольшую стойкость против воздействия излучений. В связи с этим было проведено исследование фенилов дифенила и трифенила как охладителей.

Фрейнд выяснил следующие достоинства и недостатки дифенила при использовании его в качестве охладителя. Достоинства 1. Низкое давление пара. Точка кипения дифенила 255 Спри еще небольшом давлении пара все же выше критическойтемпературы воды. 2. Отсутствие значительной наведенной радиоактивности, поскольку углерод и водород являются единственными компонентами чистого материала. 3. Малая коррозия. Слабое коррозионное воздействие дифенилана металлы дает возможность использовать в охлаждающихсистемах более обычные материалы и уменьшает значение проблемыплакирования топлива, поскольку дифенил совместим с ураноми его сплавами.

Недостатки 1. Радиационные и химические повреждения. Дифенил переходит путем полимеризации в цепные высокомолекулярные соединения, обладающие менее благоприятными свойствами. То же самое касается теплового повреждения. Было установлено, что температура 430 С, очевидно, является максимально допустимой температурой на поверхности горючего при его контакте с охла- дителем. 2. Низкая характеристика теплопередачи.

Как указывалосьранее, низкая теплопроводность органических материалов в общемограничивает значение коэффициента теплопередачи. Для дифенилов этот коэффициент составляет приблизительно 22 соответствующего коэффициента воды при 275 С. Это частично компенсируется более высокими рабочими температурами. 3. Высокая точка плавления. Точка плавления дифенила80 С. Это требует нагревания его извне при пуске реактора. Точку плавления органического охладителя, однако, можнопонизить путем использования эвтектических смесей Д1 фенилаи трифенила без серьезного ухудшения их других свойств.

Результаты этих предварительных исследований наряду с потенциальными преимуществами реактора с органическим охладителем и замедлителем послужили основанием для одобрения Комиссией по атомной энергии проекта постройки экспериментального реактора. В настоящее время завершается установка экспериментального реактора с органическим замедлителем в поселке Арко шт. Айдахо.

Ожидают, что данные, которые будут получены при работе этого реактора, докажут целесообразность практического использования подобной системы.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

сравнение эффективности различных теплоносителей

Это связано с особенностями конструкции реакторов, схемами преобразования тепла в электрическую энергию, а также с действием радиоактивных… При выборе теплоносителя для энергетического ядерного реактора необходимо… Например, практически любой теплоноситель после некоторого времени его эксплуатации в ядерном реакторе становится…

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Виды теплоносителей

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Неорганические материалы
Неорганические материалы. Четвертая группа материалов, которые могут рассматриваться с точки зрения применения в качестве охладителей, включает расплавленные соли и гидраты окислов. Сплавы солей не

Особенности использования газовых теплоносителей
Особенности использования газовых теплоносителей. Несмотря на то, что энергетические ядерные установки с газовым охлаждением в настоящее время имеют КПД несколько ниже, чем аналогичные установки с

Особенности использования органических теплоносителей
Особенности использования органических теплоносителей. Энергетические ядерные установки с органическими теплоносителями подобны двухконтурным ядерным установкам с водяным теплоносителем, но обладаю

Особенности использования водных теплоносителей
Особенности использования водных теплоносителей. Применение воды в качестве теплоносителя ядерного реактора обуславливает некоторые особенности конструкции и эксплуатации энергетической установки.

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги