Деление ядра Ядерный реактор Ядерные взрывы Температура в центре реакторного топлива Быстрые реакторы - размножители Аварии с потерей теплоносителя


Ядерные реакторы

Теплоперенос в ядерных реакторах

Как мы видели в гл. 2, для охлаждения ядерных реакторов можно использовать разнообразные жидкости и газы. В настоящей главе определяются желаемые качества теплоносителя реактора и обсуждаются процессы теплопереноса от топливных элементов к теплоносителю первого контура и от теплоносителя первого контура к паропроизводящей установке. Рассмотрены различные типы теплоносителя (газовые, жидкие и кипящие). В заключение приведены примеры технической реализации охлаждающих контуров в реакторах различного типа и их характеристики.

Основные свойства теплоносителя ядерного реактора

Ниже перечислены свойства, делающие отдельную жидкость или газ пригодными для охлаждения ядерных реакторов.

1. Высокая удельная теплоемкость. Предположим, что ядерный реактор производит тепло с интенсивностью Q. Теплоноситель имеет расход W, входит в реактор с температурой Tm, а выходит с температурой Tout. Из первого закона термодинамики следует, что указанные выше величины связанны уравнением

где Ср - удельная теплоемкость теплоносителя. Удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимое для подогрева 1 кг вещества на 1 К (или 10С); измеряется теплоемкость в Дж/(кг К). При проектировании ядерных реакторов важно избегать повышенных температур в активной зоне, чтобы предотвратить повреждения топливных и конструкционных материалов. Из приведенного уравнения следует, что этого можно достичь двумя путями при заданной входной температуре теплоносителя. Во-первых, расход теплоносителя W может быть увеличен настолько, что выходная температура будет не намного выше входной, независимо от значения СР. Во-вторых, можно подобрать теплоноситель с высокой теплоемкостью Ср, и это ограничит выходную температуру. Конечно, выходная температура не должна быть слишком низкой, иначе будет невозможно генерировать пар (см. гл. 1). Кроме того, при больших расходах значительное количество энергии потребуется для прокачки теплоносителя, а это значит, что она не поступит к потребителю в виде электрической энергии.

Особый случай представляет собой кипящий теплоноситель. Здесь тепловая энергия поглощается теплоносителем в точке кипения без изменения температуры и используется для преобразования жидкости в пар. Количество тепла, требуемое для преобразования единицы массы жидкости в пар, называется скрытой теплотой парообразования и измеряется в Дж/кг. Кипящий теплоноситель часто используется как рабочее тело в турбине (например, пар, образованный в реакторе BWR, используется в паровой турбине). По причинам, обсужденным в гл. 1, чем выше температура кипения жидкостей, тем выше термодинамическая эффективность установки. Поскольку температура кипения увеличивается с ростом давления, то реактор с кипящим теплоносителем следует эксплуатировать при максимальном разумном давлении. Однако, чем больше давление, тем более дорогостоящим становится реактор. Поэтому необходим компромисс между ростом капитальных затрат и ростом термодинамической эффективности.

2. Высокие скорости теплопереноса. Скорость теплопередачи от топливных элементов к теплоносителю определяется факторами, которые детально обсуждены в § 3.3. Одним из параметров является теплопроводность теплоносителя, служащая коэффициентом пропорциональности между скоростью переноса тепла через статический объем вещества и температурным градиентом, т.е. скоростью изменения температуры на единицу длины. Жидкометаллические теплоносители имеют высокую теплопроводность, а газовые - относительно низкую.

3. Хорошие ядерные свойства. Для всех типов реакторов важно иметь теплоноситель с малым поглощением нейтронов. Как описано в гл. 2, любое поглощение нейтронов теплоносителем и конструкционными материалами уменьшает число нейтронов, участвующих в реакции деления. Нейтроны не должны реагировать с теплоносителем, образовывая при этом значительное число радиоактивных изотопов. Радиоактивные вещества, циркулирующие в контуре охлаждения, усугубляют эксплуатационные трудности. Если теплоноситель действует одновременно и как замедлитель, то желательны хорошие замедляющие свойства. Конечно, в быстрых реакторах важно, чтобы теплоноситель не замедлял нейтроны, поскольку быстрые нейтроны требуются здесь для поддержания цепной реакции.

4. Хорошо определенное фазовое состояние. Предпочтительно, чтобы теплоноситель сохранял одинаковое фазовое состояние в нормальных и аварийных условиях, т.е. жидкость оставалась жидкостью, а газ - газом. Для достижения этого в случае жидкого теплоносителя желательно иметь у него высокую температуру кипения, чтобы избежать фазовых изменений при перегреве жидкости. Высокая температура кипения имеет также то преимущество, что можно минимизировать давление, требуемое для работы на определенном температурном уровне и достичь высокой термодинамической эффективности.

5. Стоимость и доступность. Так как количество теплоносителя в типичном ядерном реакторе очень велико (сотни тонн), то важно, чтобы его стоимость была минимальна. Кроме того, могут быть утечки теплоносителя из реакторных контуров, и в некоторых случаях это может привести к значительным денежным потерям. Идеальный теплоноситель должен быть легко получаем в достаточно чистом виде для использования в контурах охлаждения реакторов.

6. Себестоимость. Совершенно очевидно, что теплоноситель должен быть совместим с материалами реакторных контуров, не вызывать их коррозию даже в условиях высокого потока излучения в активной зоне.

7. Легкость прокачки. Жидкости, обладающие малой вязкостью, требуют много меньшей мощности на прокачку их по реакторным контурам, чем жидкости с высокой вязкостью. Вязкость вещества зависит от его температуры, причем для жидкостей она уменьшается, а для газов увеличивается с ростом температуры. Вязкость вещества обозначается μ

Ни одно из реально существующих веществ не удовлетворяет всем этим требованиям. Все известные теплоносители имеют один или более недостатков. Термодинамические характеристики и параметры теплопереноса теплоносителей удобно сравнивать с помощью величины, называемой показателем качества, которая получается из факторов, описывающих процессы теплопереноса и мощность на прокачку. Показатель качества

где Ср - удельная теплоемкость; ρ - плотность теплоносителя; μ - вязкость. Здесь использовались эмпирические зависимости для оценки мощности на прокачку и скорости теплопереноса.

Существует относительно небольшое число практически пригодных реакторных теплоносителей. Наиболее часто используемые теплоносители перечислены в табл. 3.1, где приведены их плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность и показатель качества. С точки зрения показателя качества наилучшим теплоносителем является простая вода. Однако она имеет три недостатка: низкую температуру кипения, что требует работы при высоком давлении для достижения даже умеренных термодинамических эффективностей; сильное поглощение нейтронов; коррозионную активность. Последние два недостатка требуют использования обогащенного топлива и специальных конструкционных материалов, соответственно.

Таблица 3.1. Физические свойства теплоносителей ядерных реакторов [1]

Теплоноситель

Температура плавления,0С

Температура кипения,0С

Физические свойства при

Плотность, кг/м3

Вязкость 106 Нс/м2

Удельная теплоемкость кДж/кг0С

Теплоемкость Вт/(см2 С)

Показатель качества F, отнесенный к натрия F

Макросечение поглощения тепловых нейтронов. см-1

Т0С

Р,0,1 МПа

Легкая вода

0

100

270

54

767

102

5,14

0,059

53

0,017

Тяжелая вода

4

101

270

54

845

113

5,27

0,049

67

2,8 10-5

Натрий

98

883

550

1

817

230

1,26

6,1

1

0,011

Терфенил

213

427

400

1

880

100

2,2

0,013

6,5

0,008

Гелий

- 272

- 269

450

40

3,08

36

5,2

0,028

1,1 10-3

2 10-9

Углекислый газ

- 57

- 78

450

40

29,5

30

1,2

0,07

1,7 10-8

10-7

Принципы теплопереноса При рассмотрении процессов теплопереноса обычно определяют тепловой поток q с поверхности, который представляет собой скорость потока тепла с единицы площади поверхности в единицу времени и измеряется в Дж/(м2 с) или в Вт/м2.

В улучшенных газовых реакторах AGR улучшение теплопереноса достигается совсем другим способом. Оболочка топливных элементов обрабатывается на станках таким образом, чтобы произвести на поверхности оболочки кольца прямоугольного сечения

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.

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, позволяющие жидким теплоносителям работать при существенно больших тепловых потоках, чем газы

Кипящие теплоносители Охлаждение активной зоны ядерного реактора теплоносителем, испаряющимся (вскипающим) в ней, имеет некоторые преимущества: Произведенный пар может быть направлен прямо на турбину, и электроэнергия будет получена без промежуточного теплообменника и/или парогенератора. Кипящие теплоносители очень эффективны в теплопереносе

Виды контуров теплоносителя в ядерном реакторе С тех пор как первый ядерный реактор с воздушным охлаждением был построен под теннисным кортом стадиона Чикагского университета в декабре 1942 г., было спроектировано огромное множество ядерных реакторов и многие из них построены. Во все проекты был включен контур теплоносителя; основные компоненты таких контуров и типичные контуры, используемые в наиболее распространенных энергетических ядерных реакторах, описаны в гл. 2. Конечно, все контуры охлаждения ядерного реактора должны включать активную зону, устройство для прокачки теплоносителя через активную зону и устройство для отбора тепла от теплоносителя в целях поддержания непрерывного охлаждения реактора и одновременно в целях выработки полезной энергии (в энергетических реакторах).

Контуры бассейнового типа. Возможно, большинство исследовательских реакторов - это реакторы бассейнового типа,часто называемые реакторами типа «плавательный бассейн».


Полный цикл для топлива ядерного реактора (топливный цикл)