Курс лекций по физике ядерного реактора Аварийные ситуации Радиоактивные отходы Термоядерные реакторы Источники радиоактивного облучения

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

Газовые теплоносители

Большим преимуществом газовых теплоносителей является вполне определенное и неизменное фазовое состояние. В отличие от жидких теплоносителей газовые не подвергаются фазовым переходам, приводящим к сложным проблемам двухфазного потока в аварийных ситуациях. Однако они имеют недостатки - низкую теплоемкость и низкие коэффициенты теплоотдачи. Последнее приводит к необходимости искусственного теплопереноса или низких рабочих температур. Большое число газов рассматривалось на пригодность для охлаждения ядерных реакторов, но только немногие, которые использовались для этого или прошли серьезную проверку, обсуждены ниже.

Воздух. Воздушное охлаждение применялось в самом первом поколении ядерных реакторов, а именно в котлах на естественном уране с графитовым замедлителем, построенных в Великобритании и США в 40-х годах. Самые большие реакторы с воздушным охлаждением находились в Виндскейле (Великобритания); они предназначались для производства плутония. Основная проблема с воздухом как теплоносителем - это его окислительная способность, т.е. поддержание воздухом горения материалов. В графитовых реакторах Виндскейла была дилемма: если температура в реакторе слишком высокая, то графит окисляется; если же температура слишком низкая - атомы графита подвергаются смещению с мест в кристаллической решетке под действием нейтронного облучения. При более высоких температурах вибрации атомов достаточно для их возвращения в нормальное положение в решетке. Смещение атомов приводит к созданию в графите запасенной энергии. Действие этой запасенной энергии в сочетании с возможными аварийными эффектами обсуждено в гл. 5 при рассмотрении аварии на реакторе в Виндскейле.

Однако окисляющие свойства воздуха не позволяют использовать его в современных высокотемпературных реакторах.

Углекислый газ. С точки зрения физических свойств углекислый газ - наилучший из газовых теплоносителей, и поэтому был выбран для использования в больших английских реакторах Magnox и AGR. В реакторах Magnox графитовый замедлитель имеет максимальную температуру только около 350 0С. При таких температурах углекислый газ химически не реагирует ни с графитом, ни с оболочечным материалом, ни со сталями трубопроводов, ни с топливом (металлический уран). При повышении температуры возникают трудности, связанные с химической реакцией: СО2 + С → 2СО. Здесь С - это графитовые блоки замедлителя, реакция медленно удаляет замедлитель из реактора, ослабляя прочность активной зоны. Реакция углекислого газа с графитом инициируется не только повышенной температурой, но и усиленной радиацией.

Существование этой реакции потенциально является очень серьезным ограничением, поскольку целостность конструкции активной зоны и топливных каналов зависит от физической прочности графитовых блоков. В реакторах AGR были использованы два подхода к решению этой проблемы:

1. Входящий (относительно холодный) углекислый газ прокачивается через кладку замедлителя к входу в топливные каналы, таким образом поддерживая низкую температуру замедлителя;

2. Оксид углерода и метан добавляются в углекислый газ как ингибиторы химической реакции.

Механизмы подавления химической реакции ингибиторами сложны. Один механизм предполагает, что добавки образуют на поверхности графита толстый слой углерода, который реагирует с теплоносителем, предотвращая его взаимодействие с массой графитовой кладки. Трудность здесь состоит также в том, что углерод может, при определенных условиях, осаждаться и на топливных элементах. Как мы видели в § 3.3, теплоотвод от топливных элементов существенно определяется шероховатостью отдельных ребер поверхности оболочки. Сглаживание этой шероховатости из-за осаждения углерода отрицательно скажется на скорости теплоотдачи и приведет к повышению температуры топливного элемента. Поэтому в реакторах AGR необходим очень точный контроль за химическим составом теплоносителя.

Гелий относится к семейству газов, включающему также аргон, неон и ксенон, которые называют инертными или благородными газами. За малым исключением, представляющим чисто академический интерес, атомы этих газов не образуют соединений с другими элементами (отсюда название их «инертные»). Гелий, относительная молекулярная масса которого равна 4, содержится в малом количестве в атмосфере, но обычно добывается из нефти и природного газа.

Инертный газ аргон (относительная атомная масса которого равна 40) много более доступен - воздух содержит 0,94% аргона по объему. К сожалению, аргон не пригоден к использованию как реакторный теплоноситель - при его облучении нейтронами образуется радиоактивный изотоп, который распадается с периодом полураспада 1,8 ч, испуская β- и γ-излучение. Такое поглощение нейтронов и активация контура теплоносителя являются неприемлемыми. Гелий, хотя и более дорогостоящ, чем аргон, не активируется нейтронным потоком и поэтому более пригоден для реакторного использования.

Гелий также применяется в так называемых высокотемпературных газовых реакторах (HTR). В них используется топливо в виде карбида урана, заключенного в графитовой оболочке, действующей одновременно и как оболочка, и как замедлитель. С гелиевым теплоносителем в принципе можно эксплуатировать такие реакторы при очень высоких температурах (около 800 0С), без химических дефектов замедлителя-оболочки. Однако обычно невозможно поддерживать гелиевый теплоноситель в чистом виде из-за того, что в реальном контуре бывают малые утечки водяного пара в парогенераторах, происходит просачивание воздуха и других веществ в циркуляционных насосах, а также высвобождение газов, адсорбированных графитом. Хотя гелий сам не реагирует с графитом и стальными конструкциями, его загрязнения делают это. В результате рабочие температуры ограничиваются. Этот эффект является основной проблемой проектирования реакторов HTR.

Водяной пар имеет термодинамические свойства теплоносителя лучшие, чем у углекислого газа. Его высокая теплоемкость позволяет осуществлять хороший теплоперенос при меньших расходах и с более компактными системами трубопроводов, чем другие газовые теплоносители. Это привело к возможности использования пара в качестве реакторного теплоносителя. Однако при высоких температурах и давлениях пар является сильно корродирующим и оксидирующим веществом. Нержавеющие стали могут быть единственным пригодным конструкционным материалом для работы с паром при температурах выше 600 0С.

В традиционных нефтяных или угольных котлах нормальным является перегрев пара (т.е. повышение его температуры выше точки насыщения) перед попаданием в турбину. Этим увеличивается термодинамическая эффективность цикла производства электроэнергии. В нормальном ядерном кипятильнике (например, в реакторе BWR) пар не перегревается. Однако было сделано несколько попыток ввести перегрев в ядерные реакторы, сделав их ближе к традиционным энергетическим системам. В этом случае пар может рассматриваться как дополнительный теплоноситель к кипящей воде в других частях реактора. Вообще говоря, неэкономично вводить перегрев пара таким путем, главным образом из-за того, что потребуется использование нержавеющей стали, а это повысит обогащение топлива. Однако несколько атомных электростанций в СССР используют перегрев пара.

Оксиды азота. Схема АЭС, свободная от высоких затрат на прокачку газового теплоносителя, предложена в СССР. Жидкий четырехоксид азота N2O4 прокачивается через нагреватель, где он почти полностью превращается в газообразный диоксид азота NO2. Газ NO2 служит теплоносителем в реакторе, а после него направляется на газовую турбину. Газ, сбрасываемый турбиной, проходит через нагреватель, где он конденсируется, нагревая четырехоксид азота N2O4 при высоком давлении и образуя конденсат N2O4, который затем прокачивается на другую сторону нагревателя. Таким образом, осуществляется прокачка жидкого, а не газообразного теплоносителя, что более экономично. Исследования, проведенные в СССР, показали, что такой реактор может быть построен; был разработан проект прототипа, но он еще не реализован.


На главную страницу. Реакторы атомных станций