Особенности использования водных теплоносителей

Особенности использования водных теплоносителей. Применение воды в качестве теплоносителя ядерного реактора обуславливает некоторые особенности конструкции и эксплуатации энергетической установки. Прежде всего, необходимо отметить, что благоприятные ядерные свойства воды позволяют применять ее одновременно и в качестве теплоносителя, и в качестве замедлителя это упрощает и делает более компактной активную зону реактора. Хорошие теплопередающие свойства воды обеспечивают интенсивный отвод тепла от тепловыделяющих элементов.

Доступность воды, практическая независимость ее свойств от радиоактивного излучения и колебаний температуры внешней среды, невоспламеняемость делают ее очень удобной в обращении. Затраты мощности на перекачку воды в теплообменном контуре невелики.

Однако некоторые свойства воды неблагоприятно сказываются на работе и конструкции ядерного реактора. Так, например, сравнительно низкое значение критической температуры воды 374,15оС существенно ограничивает максимальную температуру теплоносителя. Вследствие этого термодинамический КПД теплоэнергетического цикла получается весьма низким. Более того, достижение температуры теплоносителя выше 250оС уже требует сооружения системы высокого давления, что усложняет схему установки и снижает ее надежность в эксплуатации. Из-за активного коррозионного взаимодействия воды со многими конструкционными материалами отдельные узлы реактора и трубопроводы необходимо выполнять из нержавеющей стали или специальных сплавов.

Несмотря на то, что чистая вода не приобретает значительной радиоактивности под действием излучения, теплоноситель с течением времени становится существенно радиоактивным. Существует несколько посторонних источников возникновения наведенной активности водяного теплоносителя. Это активация растворенных в воде различных минеральных солей и газов, наличие механических примесей радиоактивных продуктов коррозии конструкционных материалов и т.д. Опыт эксплуатации энергетических ядерных реакторов с водяным охлаждением показывает, что общая наведенная радиоактивность воды определяется именно наличием в ней механических примесей и растворенных продуктов коррозии.

Например, если в воде содержится некоторое количество солей натрия, то образуется радиоактивный изотоп натрия Na24 с периодом полураспада 15,1 ч выделяющий при распаде гамма-излучение с энергией 1,6 МЭв. Наличие долгоживущего изотопа Na24 в воде обуславливает радиоактивность теплоносителя во всем теплообменном контуре.

Кроме того, в теплоносителе ядерного реактора по мере его эксплуатации накапливается значительное количество механических примесей продуктов коррозии конструкционных материалов. Многие изотопы элементов конструкционных материалов под действием нейтронного потока образуют долгоживущие радиоактивные изотопы, что также увеличивает наведенную радиоактивность воды. Поэтому, несмотря на тщательную предварительную очистку воды, ее радиационная активность во время длительной работы реактора становится весьма высокой.

Это обстоятельство заставляет предпринимать специальные меры для защиты эксплуатационного персонала станции. В водяных реакторах происходит постепенное накопление гремучей смеси над уровнем замедлителя и в верхних точках первичного контура теплоносителя. Так как гремучая смесь взрывоопасна, то необходимо предпринимать меры либо для ее удаления, либо для разбавления ее инертным газом до взрывобезопасной концентрации.

Обычно это делается путем вентиляции уровня воды в реакторе гелием или другим газом. В систему циркуляции вентилирующего газа включают установку для каталитического зажигания гремучей смеси. Нижний концентрационный предел гремучей смеси в газах составляет около 12, однако в практических условиях концентрация горючей смеси снижается до 3.