Газовые теплоносители

ЭнергетикаСреди газовых теплоносителей нашел более или менее промышленное применение СО2, углекислый газ, который применялся в атомных станциях Франциии и Англии –  две эти страны использовали газографитовые реакторы. Это были реакторы на тепловых нейтронах, т.е. имели графитовый замедлитель, а реактор был похож на РБМК, только топливные сборки охлаждались углекислым газом, а не кипящей водой. Дальше горячий газ поступал в парогенератор, передавал тепло воде, а уже пар работал на турбину. Была и газодувка, которая обеспечивала циркуляцию газа по первому контуру. Особенностью газов является низкая плотность. Поэтому для того, чтобы обеспечить необходимый теплоотвод, нужно иметь газ под достаточно высоким давлением, порядка 100 атм. Это меньше, чем в ВВЭР, но все-таки тоже порядочное давление. Но зато в газоохлаждаемых реакторах можно поднимать температуру на выходе газа, не поднимая давления. Вот для воды, если вы поднимаете температуру, надо обязательно поднимать давление, чтобы она не закипела. Предлагались для воды проекты с закритическими параметрами, например, 300 атм. давление и 6000 С температура –такие параметры, конечно, не подарок для эксплуатации, поэтому эти проекты так и остались на бумаге.

А газ позволяет поднимать температуру, не поднимая давления, у него такие свойства. А углекислый газ — это доступный, недорогой газ, и коррозионная стойкость конструкционных материалов в этих условиях нормальная, стальные обычные угреродистые стали там хорошо работают. Больших проблем с газоохлаждаемыми реакторами не было, однако появились болезни старости этих реакторов, которые в конце концов привели к тому, что атомная энергетика Франции и Англии сворачивает эти реакторы и вместо них использует ВВЭР (у них называется РWR, что то же самое) или кипящие корпусные реакторы.

Что же показал длительный опыт эксплуатации? Парогенератор – это такая конструкция, пожалуй, одна из немногих, которые при эксплуатации вызывают особую заботу: там рано или поздно появляются течи, т.е. нет такого парогенератора, который бы всю жизнь проработал, и чтобы у него нигде микротечи не было. Парогенераторы заменялись по разным причинам – заменялись у нас на ВВЭР-100 и на Западе они имеют ограниченный срок службы. Так вот, когда появляется течь парогенератора, то вода попадает в углекислотный газовый контур (в контур СО2) через неплотность. А вода в контакте с СО2 образует угольную кислоту – это слабенькая кислота (обычная газировка – это пример угольной кислоты, т.е. когда газируют воду – соединяют СО2 с водой – получается слабая газированная кислота). И вот эта слабая кислота начинает медленно, но неуклонно вызывать коррозию углеродистых сталей, постепенно изнутри идет ржавление, наступает большой износ и вот эта причина (одна из причин) послужила тому, что все эти реакторы выводятся из эксплуатации и заменяются на водо-водяные реакторы. Это вот СО2.

Вопрос – там больше давление, чем 100 атм? 

Может и больше, потому что там перегрев пара получался 4000 С, может быть 4500 С, но ведь есть период эксплуатации, когда, допустим, в первом контуре давление снижается, а во втором остается постоянным.

 

Рассмотрим еще один тип теплоносителя – гелий, гелиевый теплоноситель. Гелий – это инертный газ, хоть он и дорогой, но обладает исключительно хорошими свойствами: он абсолютно, как инертный газ, не взаимодействует химически ни с какими материалами. Но требует достаточно высокого давления, чтобы эффективно отводить тепло. Сегодня гелий-охлаждаемые реакторы являются первыми кандидатами для высокотемпературных реакторов. Проекты с высокотемпературными реакторами рассматриваются именно с гелиевым теплоносителем. Особенностью таких реакторов является низкая энергонапряженность активной зоны, потому что, во-первых, газ вообще слабо отводит тепло по сравнению с жидкостью, а, во-вторых – гидравлическое сопротивление нельзя сделать большим, потому что газ сжимаемый и будут очень большие потери на компрессию, на сжатие газа. Вот когда насос жидкость перекачивает – давление поднимается, а жидкость не сжимается, поэтому нужна  сравнительно небольшая мощность, а вот компрессоры, или газодувка для перекачки газа – они требуют гораздо больше энергии. Поэтому реактор должен быть очень свободный, незатесненный, а это значит, что будут опять сравнительно низкие скорости и неинтенсивный теплоотвод. Далее: всегда надо считаться с тем, что может произойти авария с разрушением (с разгерметизацией) первого контура. Вот в водных реакторах есть гидроемкости, есть система, которая собирает воду, вода там сконденсируется, охладится, и через разорванный контур как-то все-таки обеспечивается охлаждение активной зоны. А вот если гелиевый корпус лопнет – гелий уйдет, и возвратить этот газ уже невозможно – тогда в контуре давление выровняется с атмосферным, в контур пойдет воздух и нужно, чтобы при этом топливо не сгорело, под действием остаточного энерговыделения. Поэтому у гелиевых реакторов низкая энергонапряженность – 5-7 кВт/л,  у ВВЭР – 100-123 кВт/л (напряженность активной зоны означает, сколько снимается тепловых киловатт с литра объема). Таким образом, реактор с гелием — это слабонапряженный реактор и это ситуация вынужденная, во-первых, и потому, что необходимо снизить потери энергии на циркуляцию, иначе очень много будет тратиться на перекачивающие компрессоры, и, во-вторых, и это самое главное, потому что такой режим обеспечивает безопасность, т.к. расчеты показывают, что только при такой низкой энергонапряженности можно избежать крупной аварии, в случае, если гелий заместится на газ и все это разогреется до 2000-30000 С. Твэлы таких реакторов делаются с многослойными оболочками (крупиночка там, допустим, двуокиси или карбида урана, на ней с пол-миллиметра ……углерода, потом силицированный графит — в общем, получается такая пятислойная оболочка в графитовой матрице), вот именно такая глубокая эшелонированная защита позволяет при потере герметичности и попадании воздуха все-таки удержать внутри основную массу радиоактивности, не привести к тяжелой аварии. Но для гелия основная область будущего применения это, конечно, высокотемпературные реакторы, снабжение высокопотенциальным теплом различных химических производств и получение в будущем водорода. Существует несколько  проектов такого высокотемпературного газоохлаждаемого реактора, его, например собирается строить Южная Африка. Где будет первый такой реактор построен, трудно сказать, но экспериментальные маленькие реакторы уже были построены, например, у нас за американские деньги. В настоящее время в Нижнем Новгороде тоже работают над проектом такого газоохлаждаемого реактора. Рассматривался этот проект для Красноярска-26, планировали построить его как замещающий, но пока проект еще находится все-таки не в стадии готовности к реализации.

И третий газ, который тут надо упомянуть – это четырехокись азота. Упомянуть нужно потому что в Советском Союзе была попытка (Белорусский институт атомной энергетики продвигал идею) использования так называемого диссоциирующего газа – N2O4 – четырехокиси азота, или тетраксида азота. Побудительной причиной использования такого экзотического, в общем, теплоносителя были следующие предположения, основанные в какой-то мере на экспериментах. Именно: при высоких температурах – 600-7000 С происходит диссоциация молекулы, т.е. распад N2O4, допустим, на две молекулы NO2. А на распад требуется как бы скрытая теплота – это вроде бы аналог тому, что вода переходит в пар, поглощается тепло, т.е. как бы нарастает эффективная теплоемкость. А когда происходит охлаждение где-то в конденсаторе, то происходит наоборот, ассоциация – соединение и при этом выделяется тепло. Обещали, что за счет этого к.п.д. будет ~ 50 %. Была уже изготовлена маленькая установка (для военных) ~ 600 кВт, и чуть ли не развернуто строительство большого быстрого реактора на 300 МВт. Когда большие начальники принимают решения, не всегда они бывают хорошими, вот Машеров, первый секретарь ЦК Белоруссии, уговорил Славского, министра среднего машиностроения построить этот реактор. И развернулись работы, но при получении первого опыта эксплуатации выяснилось, что все происходит не так, как думали на бумаге, к.п.д. оказался гораздо ниже, теплоноситель токсичный, кто-то там умер, кто-то обжегся азотной кислотой. Конечно, опыт был приобретен, конференции состоялись и книжки трудов были выпущены. Но сегодня это направление закрыто. Вот, пожалуй, все по второму признаку классификации реакторов, по различным теплоносителям, чтобы вы имели представление. Но когда я говорил о воде и о высоком давлении, я имел в виду двухконтурные реакторы, т.е. типа ВВЭР, когда вода находится в жидкой фазе. Но вода может использоваться как теплоноситель и как кипящая вода, при  этом давление ниже и пар может идти прямо на турбину. Собственно, по такой схеме работают РБМК, в Димитровограде ВК-50 (это корпусный кипящий реактор), и в Америке примерно половина реакторов работает как кипящий реактор. Дальше мы еще об этом будем говорить в другом признаке (по числу контуров) более подробно. А сейчас я просто как о воде сказал, что в РБМК она используется не как теплоноситель и замедлитель, а только как теплоноситель. А вот в кипящих корпусных реакторах там вода используется и как замедлитель, и как теплоноситель.