Теплоносители. Требования, предъявляемые к ним

Основные требования

Теплоносителем называется среда, предназначенная для отвода тепла от активной зоны и передачи его в парогенератор или промежуточный теплообменник. Свойства теплоносителей должны удовлетворять требованиям, определенным теми процессами, которые происходят в 1-м контуре. Эти требования можно разделить на 4 группы: ядерно-физические, теплофизические, физико-химические, эксплуатационные.

1. С точки зрения ядерно-физических требований теплоноситель должен обладать

- малым сечением захвата нейтронов;

- малым сечением рассеяния нейтронов (для реакторов БН);

- хорошей замедляющей способностью и коэффициентом замедления (для реакторов на тепловых нейтронах);

- высокой радиационной стойкостью;

- малой способностью к активации.

2. Теплофизические требования:

- высокая теплоемкость и теплопроводность;

- низкая вязкость;

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- малые энергетические затраты на прокачку теплоносителя.

3. Физико-химические требования:

- коррозионно инертное отношение к материалам, используемым в 1-м контуре;

- химически инертен по отношению к окружающей среде и остальным материалам;

- химически стоек в больших температурных и радиационных полях.

4. Эксплуатационные требования:

- высокий уровень отвода тепла из реактора;

- низкое давление теплоносителя;

- пожаробезопасность;

- нетоксичность;

- отсутствие в контуре дополнительных усложняющих устройств (например, ВВЭР – компенсатор давления);

- распространенность, доступность, дешевизна.

Вода

1. Обладает сравнительно хорошими ядерно-физическими свойствами, относительно большим сечением рассеяния, приемлемым сечением поглощения (s_п). Тем не менее все-таки сечение поглощения значительно, поэтому приходится в активной зоне использовать обогащенный уран. Например, реакторе ВВЭР-1000 топливо подпитки имеет обогащение 4,4% при трехгодичной топливной загрузки.

Основным недостатком воды как теплоносителя является то, что под действием облучения происходит ее радиолиз. При радиолизе выделяется кислород и водород по схеме

В результате, если не принять меры, может образоваться гремучая смесь. Вода в реакторе активируется незначительно. Основная активность воды образуется за счет ядерных реакций на кислороде:

Если в воде присутствуют даже незначительные количества примесей в виде солей, то

Таким образом, видно, что в теплоносителе (воде) 1-го контура, даже если в него не попадают сколки деления, скапливаются радиоактивные вещества, в том числе и газы. Это требует создания дополнительных устройств химводоочистки и постоянного контроля качества теплоносителя.

2. Вода обладает большой теплоемкостью (С_р), низкой теплопроводностью, относительно малой вязкостью.

Коэффициент теплоотдачи существенно возрастает с ростом скорости, потому приемлемого значения a можно достичь при умеренных скоростях, что приводит к приемлемым затратам энергии на прокачку теплоносителя.

3. При температурах выше 300⁰С и повышенных давлениях происходит интенсификация коррозионных процессов, хотя и при обычной температуре вода коррозионно активна. Это одни из основных недостатков воды как теплоносителя, поэтому в 1-м контуре используются дорогостоящие нержавеющие стали. Химически вода инертна, термически стойкая.

4. Один из самых серьезных недостатков – высокое давление насыщенных паров. С ростом температуры давление насыщенного пара резко возрастает. Поэтому в 1-м контуре необходимо поддерживать высокое давление при достаточно низком температурном уровне отвода тепла из реактора.

Вода не токсична, пожаробезопасна, доступна, ее свойства хорошо изучены, дешева.

Тяжелая вода отличается от обычной воды только ядерно-физическими свойствами. Во всем остальном свойства этих двух материалов абсолютно одинаковы.