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 водой, органическими и жидкометаллическими теплоносителями, они нашли широкое практическое применение в ядерной энергетике. Это обусловлено тем, что реакторы с газовым охлаждением весьма перспективны, и поэтому не случаен тот большой интерес, который проявляется к реакторам этого типа во всех странах.

Например, подсчитано, что для того чтобы атомная электростанция с газоохлаждаемыми реакторами могла быть экономически сравнимой с современными тепловыми электростанциями, она должна иметь приблизительно следующие основные характеристики во-первых, тепловыделяющие элементы должны выдерживать температуру около 1100оС при температуре охлаждающего газа 850оС во-вторых, тепловая мощность электростанции должна быть равна 1100-1500 МВт. В настоящее время в США ведется строительство реактора с гелиевым охлаждением, рабочая температура тепловыделяющих элементов которого достигает 1100-1650оС. Тепловая мощность реактора 1150 МВт, расчетный КПД 34,8. Очевидно, что уже в ближайшее время могут быть созданы более мощные реакторы, и тогда экономичность энергетических ядерных установок с газовым охлаждением приблизится к экономичности реакторов других типов.

Применение газовых теплоносителей позволяет организовать одноконтурные теплоэнергетические циклы, что упрощает схему атомной электростанции и исключает дополнительное тепловое сопротивление, обусловленное наличием промежуточных теплообменников.

Применение в качестве теплоносителя газа высокого давления обеспечивает тепловые потоки и удельные мощности, сравнимые с соответствующими характеристиками лучших реакторов с жидкостным охлаждением, действующих в настоящее время. Большие возможности газоохлаждающих реакторов связаны с применением водорода.

По общему мнению, технические проблемы, связанные с использованием водорода как теплоносителя энергетических ядерных установок, трудны, но они не являются неразрешимыми. Энергетические ядерные установки с газовым охлаждением реактора обладают рядом благоприятных эксплуатационных характеристик. Например, газовые реакторы наиболее безопасны. Действительно, благодаря тому, что плотность газа при высоких температурах и сравнительно невысоких давлениях мала, весовое содержание газа в реакторе весьма невелико и поэтому поглощение тепловых нейтронов газовым теплоносителем практически также мало. Результатом этого является то, что реактивность реактора с газовым теплоносителем практически не зависит от содержания теплоносителя в активной зоне реактора естественно, в некоторых допустимых пределах.

Эта особенность реакторов с газовыми теплоносителями является их большим преимуществом перед реакторами других типов. Любая авария с контуром теплоносителя, приведшая к утечке газа из контура теплоносителя в зону реактора или, наоборот, утечки газа из реактора, не скажется немедленно на реактивности реактора.

Естественно, что утечка теплоносителя из контура и прекращение охлаждения активной зоны приведут к постепенному разогреву реактора и, в конечном счете, к его аварии. Однако благодаря тому, что этот процесс протекает весьма медленно, он является мало опасным, ибо обслуживающий персонал имеет время заметить этот процесс и принять необходимые меры для остановки реактора. Таким образом, независимость реактивности реактора от содержания газового теплоносителя в нем означает практическую безопасность этих реакторов.

В ряде случаев эти соображения могут играть решающую роль в выборе теплоносителя. Газовые теплоносители обладают небольшим захватом нейтронов, что приводит к возможности использовать в газоохлаждаемых реакторах в качестве горючего необогащенный природный уран. Поскольку газы имеют небольшую плотность и низкие значения объемной плотности и коэффициента теплопроводности, для обеспечения необходимого теплосъема требуется пропускать через реактор значительные объемы газа. Это требует в свою очередь значительно больших проходных сечений в реакторе, больших температур тепловыделяющих элементов при заданной мощности реактора и больших затрат удельной мощности на перекачку теплоносителя.

Все эти факторы являются нежелательными. Действительно, большие проходные сечения каналов теплоносителя в реакторе значительно увеличивают габариты его активной зоны, что ограничивает возможность создания компактной конструкции установки и увеличивает потери нейтронов.

При более высокой температуре работа тепловыделяющих элементов менее надежна. 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. Особенности использования жидкометаллических теплоносителей Применение жидких металлов для охлаждения реакторов обуславливает ряд особенностей в конструкции активной зоны реактора, схеме энергетической установки и ее эксплуатации. Все жидкометаллические теплоносители не являются замедлителями, а некоторые из них весьма сильно поглощают тепловые нейтроны.

Вследствие первой причины жидкометаллический теплоноситель никогда не может быть одновременно использован как замедлитель. Вследствие интенсивного поглощения тепловых нейтронов процентное содержание жидкометаллического теплоносителя в активной зоне реактора должно быть минимальным. В действительных условиях содержание его обычно уменьшается до возможного предела. Требование небольшого объема теплоносителя определяет малую величину проходных сечений технологических каналов в активной зоне. В этих условиях для организации интенсивного отвода тепла необходимо допускать большие повышения температуры при значительной скорости потока теплоносителя.

В современных реакторах с жидкометаллическим охлаждением температура теплоносителя при его прохождении через реактор повышается на 100-120оС. Так как жидкие металлы имеют малую величину давления насыщенных паров, то максимальное давление в системе с жидкометаллическим теплоносителем определяется только потерей напора в контуре, которое обычно не превышает 7-8 ат. Низкое давление существенно упрощает конструкцию и эксплуатацию, как самого реактора, так и вспомогательного оборудования станции.

Высокая температура кипения жидких металлов обеспечивает большую надежность в работе реактора. Реакторную установку с жидкометаллическим теплоносителем существенно усложняют дополнительные устройства, необходимые по эксплуатационным условиям.

Такими дополнительными устройствами являются установка для плавления твердого металла и передавливания расплавленного металла в теплообменный контур устройство для удаления окислов металла из циркуляционного контура ловушки для паров жидкого металла устройство для прогрева контура. Высокая теплопроводность металлических жидкостей приводит к тому, что в стенках труб контура по их радиусу возникают значительные температурные перепады. При колебаниях температуры теплоносителя имеющих место при неустойчивой работе реактора и в период разогрева или охлаждения возможно появление резких изменений температурных напряжений в металле тепловые удары, что приводит к уменьшению прочности конструкционных материалов. По этой причине ответственные детали оборудования должны рассчитываться на сопротивляемость тепловым ударам.

Так как жидкометаллические теплоносители являются поглотителями тепловых нейтронов, реактивность реактора зависит от весового содержания жидкого металла в активной зоне. При уменьшении содержания теплоносителя в активной зоне поглощение им нейтронов уменьшается и, следовательно, реактивность возрастает.

Если по каким-либо причинам произойдет непредусмотренное повышение рабочей температуры теплоносителя, то за счет теплового расширения его весовое содержание уменьшится, что приведет к повышению мощности реактора.