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

Атомная энергетика. Курс лекций по физике ядерного реактора

Жидкие теплоносители

В противоположность газовым теплоносителям жидкие теплоносители могут подвергнуться фазовому переходу (т.е. превратиться в пар), если их температура будет поднята достаточно высоко. Однако они имеют значительно более высокую теплоемкость, лучшие характеристики теплопереноса (см. § 3.3), позволяющие жидким теплоносителям работать при существенно больших тепловых потоках, чем газы. Много типов жидкостей использовалось для охлаждения ядерных реакторов, но здесь будут рассмотрены лишь вода (легкая и тяжелая), органические жидкости, расплавленные соли и жидкие металлы.

Легкая вода. С самых ранних дней развития ядерной энергетики охлаждение реактора обычной (легкой) водой было общепринято. Вода может быть использована одновременно как теплоноситель и как замедлитель (так делается в реакторах PWR, описанных в гл. 2) или в комбинации с другим замедлителем, таким, как графит или тяжелая вода. Примером последней комбинации является английский реактор SCHWR, тяжеловодный реактор с паровым теплоносителем, построенный в Великобритании. Здесь легководный теплоноситель проходит через вертикальные каналы, содержащие топливные элементы, а эти каналы пронизывают резервуар, заполненный тяжелой водой, которая действует как замедлитель. Аналогично, в некоторых реакторах СССР топливные каналы охлаждаются легкой водой, проходящей через трубы, помещенные в графитовой кладке, которая действует как замедлитель.

Хотя легкая вода вполне доступна, с ее использованием связаны некоторые проблемы.

1. Так как вода имеет сравнительно низкую температуру кипения (1000С), реактор должен работать при высоком давлении, чтобы удержать воду в жидком состоянии при температурах, пригодных для циклов по производству электроэнергии. Так, в реакторах PWR легкая вода находится под давлением 15,5 МПа, которому соответствует температура насыщения 345 0С. Средняя выходная температура воды в реакторах PWR составляет 320 0С, хотя, в отдельных каналах реактора температура воды может превышать температуру насыщения, приводя к локальному вскипанию.

2. Под действием нейтронного потока вода медленно разлагается на составляющие элементы (водород и кислород). Эта реакция радиолиза воды может быть подавлена путем обеспечения избыточного содержания растворенного в воде водорода, что и делает соответствующая система в реакторах PWR.

3. Вода является коррозионно-активным веществом, реагирующим с материалами топливных элементов и трубопроводов, унося при этом микроскопические количества различных изотопов. Находясь в воде в растворенном или взвешенном состоянии, они могут активироваться в нейтронном поле. При этом образуются радиоактивные изотопы, остающиеся в воде и циркулирующие вместе с водой, либо осаждающиеся в контуре теплоносителя. Так, первый контур теплопереноса в реакторах обычно довольно радиоактивен и для эксплуатационного обслуживания требует дистанционных процедур. Эта активация контура может быть минимизирована введением тщательного контроля за химическим составом воды и соответствующим подбором реакторных материалов. Этот вопрос имеет первостепенную важность для экономичности эксплуатации установки.

4. Как обсуждалось в гл. 1, легкая вода является довольно сильным поглотителем нейтронов, в результате чего возникают две проблемы. Первая - это необходимость дополнительного обогащения топлива, а вторая состоит в том, что при определенных обстоятельствах аварийное удаление охлаждающей воды из активной зоны реактора (например, замена воды паром при аварии с потерей теплоносителя) может привести к увеличению коэффициента размножения нейтронов в реакторе и к усилению цепной реакции деления. Это не проблема в случае, если легкая вода является одновременно и замедлителем (как в реакторах PWR и BWR), поскольку удаление замедлителя приводит к прекращению цепной реакции. В английском тяжеловодном реакторе с паровым теплоносителем, где главным замедлителем является тяжелая вода, потенциальную опасность, связанную с потерей охлаждающей воды, удается избежать, так как легкая вода в каналах теплоносителя в достаточной степени выполняет функции замедлителя. Это позволяет устранить возникновение положительной реактивности опустошенных каналов, т.е. предотвратить так называемый положительный пустотный коэффициент реактивности.

Итак, хотя легкая вода является наиболее широко используемым теплоносителем, она далеко не идеальна, но, будем справедливы, это же можно сказать и про любой другой теплоноситель.

Тяжелая вода (оксид дейтерия D2O) присутствует в обычной воде в количестве 0,016%. Тяжелую воду можно выделить из обычной с помощью различных дорогостоящих процессов, требующих создания очень крупных установок. Тем не менее тяжелая вода имеет большие достоинства как реакторный теплоноситель: она имеет значительно меньшее сечение поглощения тепловых нейтронов, чем легкая вода, что делает возможным использовать в реакторах с тяжеловодным теплоносителем необогащенное урановое топливо. Типичным примером является канадский реактор CANDU, описанный в гл. 2.

За исключением поглощения нейтронов тяжелая вода имеет те же физические свойства и, следовательно, те же недостатки, что и легкая вода.

Поскольку тяжелая вода является очень дорогостоящим материалом, ее потери и загрязнение легкой водой должны быть минимизированы. Это требует надежной герметичности первого контура, особенно в парогенераторах, где легкая и тяжелая вода разделяется только теплопередающей поверхностью. На практике, однако, считается неизбежной потеря 2 % загрузки тяжелой воды, вероятно в виде пара, просачивающегося через микротрещины.

Другой проблемой, связанной с тяжелой водой, является преобразование дейтерия под действием нейтронного потока в тритий, который радиоактивен и распадается с испусканием β-частицы. Поскольку тритий имеет сравнительно большой период полураспада (12 лет), загрязнение тритием окружающей среды при утечках теплоносителя из реактора является проблемой, требующей внимания при проектировании реакторов.

Органические теплоносители. Попыткой преодолеть некоторые недостатки воды, в частности ее низкую температуру кипения и, соответственно, высокое рабочее давление, является предложение использовать в реакторах различные органические теплоносители. На практике, однако, представляет интерес лишь одна группа составов - полифенилы, показавшие достаточно высокую стойкость к нейтронному облучению. Эти теплоносители, вообще говоря, являются смесью полифенилов, подобранных так, чтобы смесь оставалась жидкой при комнатной температуре. Такие теплоносители можно использовать в жидком состоянии при температурах выше 300 0С и при давлении около 1 МПа вместо 15,5 МПа, требуемых для воды. В чистом виде органические теплоносители по существу не представляют коррозионной опасности для большинства реакторных материалов.

Серьезной проблемой органических теплоносителей является то, что, хотя они относительно устойчивы к радиационному и термическому воздействию, эти процессы приводят к ухудшению их свойств в значительной степени. Радиолиз вызывает образование водорода, а это ведет к такому разрушительному явлению, как водородное охрупчивание топливной оболочки. Облучение ведет также к образованию полимеров (материалов с очень высоким молекулярным весом), которые создают твердый осадок на топливных элементах. Хотя некоторые реакторы работают с такими теплоносителями, они не нашли себе применение в коммерческих ядерно-энергетических установках.

Расплавленные соли. При использовании расплавленных солей в качестве теплоносителя можно достичь высоких рабочих температур при низких давлениях. Рассматривались расплавленные гидрооксиды металлов, например гидрооксид натрия (каустическая сода). Температура плавления таких веществ довольно высока, но, используя смеси, например гидрооксид натрия и калия, можно получить материалы и с пониженной температурой плавления (около 190 0С). Главная проблема этих материалов - их коррозионная активность; она сделала невозможным их широкое применение в ядерной энергетике.

На раннем этапе развития ядерной энергетики предлагалось много реакторных систем, в которых делящийся материал (например, в виде тетрафторида урана UF4) растворялся бы в смеси расплавленных солей. При прохождении этой смеси через корпус, содержащий, например, графитовый замедлитель, в ней происходила бы реакция деления, нагревавшая урансодержащую соль. Расплавленная соль прокачивалась из активной зоны в теплообменник, где тепло передавалось бы другому теплоносителю, который шел бы в систему производства электроэнергии. Реактор такого типа, в котором топливо растворено в теплоносителе, называется гомогенным реактором. Он имеет то преимущество, что его топливо может перерабатываться непрерывно. Однако коррозия и другие проблемы, специфические для этого типа реактора, не позволили широко развить реакторы на расплавленных солях, хотя в эксплуатации находятся несколько малых прототипов.

Жидкие металлы. Расплавленные (жидкие) металлы позволяют добиться значительно более высоких рабочих температур, чем вода, и имеют отличные свойства теплопереноса. Единственный металл - ртуть, является жидкой при комнатной температуре, но она имеет очень большое сечение поглощения нейтронов, и в тепловых реакторах ее не используют. Ртуть имеет также относительно высокое давление паров, и эти пары токсичны. Однако интересно отметить, что ртуть использовалась как рабочее тело для производства электроэнергии на нескольких демонстрационных установках США, работавших в 50-х годах.

Единственными металлами, которые совмещают преимущества относительно низкой температуры плавления, низкого давления паров и слабого поглощения нейтронов, являются натрий и калий. Натрий и калий совместимы с нержавеющей сталью до температуры 8000С при условии, что жидкий металл не содержит кислород. Натрий более распространен в природе, производство его дешевле, чем калия. К тому же калий может образовывать соединения с кислородом, которые являются взрывчатыми веществами. В последние годы натрий стал наиболее предпочитаемым жидкометаллическим теплоносителем, а в более ранних реакторах часто использовалась смесь натрий - калий. Эти смеси могут быть жидкими при комнатной температуре, и трубопроводы не требуют подогрева для поддержания теплоносителя расплавленным при остановке реактора.

Натрий был выбран первым теплоносителем быстрых реакторов-размножителей. Из данных табл. 3.1 видно, что он имеет высокую теплопроводность, а по теплоемкости проигрывает воде. Для заданного теплопереноса требуется расход натрия в 5 раз больший, чем расход воды. Однако все перекрывающим преимуществом натрия является его высокая температура кипения, позволяющая реакторам с натриевым охлаждением работать при почти атмосферном давлении, сохраняя при этом большой запас между рабочей температурой и точкой кипения. Рабочие температуры натрия достаточно высоки, чтобы испарить воду при высоком давлении. Это обеспечивает хорошую термодинамическую эффективность цикла. Однако существуют проблемы, связанные с использованием натрия в качестве теплоносителя.

1. Из-за того, что натрий активно реагирует с кислородом и водой, их контакт должен быть предотвращен. Газовая подушка из инертного газа, такого, как аргон, нужна над уровнем натрия в реакторе. Этот газ не должен быть загрязнен кислородом. В парогенерирующей системе натрий нагревает трубки, содержащие испаряющуюся воду большого давления. Эти испарители являются одним из главных источников неприятностей для реакторов с натриевым охлаждением. Допустимы лишь очень маленькие протечки в испарителях, но они вызывают проблему загрязнения из-за образования гидрооксида натрия, который является коррозионно-активным веществом. Большие протечки могут вызвать взрывное взаимодействие натрия с водой, при котором образуется водород, сам являющийся взрывчатым веществом. Радиоактивное загрязнение здания реактора может быть сведено к минимуму с помощью промежуточных теплообменников (см. гл. 2). Альтернативный вариант - использование трубок с двойными стенками для большего разделения натрия и воды в парогенераторе. В проектах реакторов с натриевым охлаждением предусматриваются меры для безопасной ликвидации аварий, связанных с реакцией натрия и воды. Например, парогенератор может быть изолирован, содержащийся в нем натрий слит в специальный резервуар, а образовавшийся водород выпущен через выводную трубу.

2. Первый контур теплоносителя становится сильно радиоактивным из-за образования изотопа 24Na с периодом полураспада 15 ч. Наличие этого радиоизотопа в теплоносителе первого контура является дополнительной причиной введения промежуточного теплообменника между первым контуром и парогенератором. На практике из-за достаточно короткого периода полураспада изотоп 24Na не создает особых трудностей в эксплуатации реакторных контуров. Правда, требуется довольно значительное время для его распада до приемлемо низкого уровня, прежде чем с контуром можно будет продолжать работать.

Для каждого, кто видел школьные опыты в химической лаборатории, когда маленькие кусочки натрия бросали в воду с последующими взрывными эффектами, перспектива использования этого металла в качестве реакторного теплоносителя должна представляться шокирующей. Однако, удерживаемый в контурах реактора с надлежащими предосторожностями, предпринятыми для борьбы с потенциальными эффектами его контакта с водой в парогенераторе, натрий - на удивление спокойный и эффективный теплоноситель.


На главную страницу. Реакторы атомных станций