Использование жидкометаллических теплоносителей в ядерной энергетике

Использование жидкометаллических теплоносителей в ядерной энергетике

Теперь остановимся на использовании жидкометаллических теплоносителей в ядерной энергетике. Первый жидкометаллический теплоноситель, который был использован уже в энергетических реакторах, был натрий, металлический жидкий натрий. Каковы характеристики натрия и каковы его плюсы и минусы? Натрий имеет сравнительно низкую точку плавления – 980 С,  выше он уже находится в жидкой фазе. Таким образом,  поддерживать жидкое агрегатное состояние натрия сравнительно просто, можно иметь несложную систему обогрева первого контура. Точка кипения натрия сравнительно высокая – около 8700 С (когда пары натрия – давление их становится равным 1 атм.), это означает, что если эксплуатационный диапазон температур ниже 8000 С (700 – 6000 С) – то первый контур работает без избыточного давления. Т.е. есть давление, которое создает насос, есть напор насоса, есть гидростатический столб, а вот избыточного давления изнутри нет, связанного с тем, чтобы натрий не кипел. Далее, натрий обладает исключительно высокими теплопередающими свойствами, у него очень высокая теплопроводность. Таким образом, с помощью натрия можно получать высокие коэффициенты теплоотдачи и осуществлять интенсивный отвод тепла при высоких тепловых потоках через оболочку тепловыделяющего элемента. Еще одна положительная особенность натрия заключается в том, что он легкий, легче воды (натрий имеет плотность ~ 0,8),  а если жидкость имеет малую плотность, ее легко перекачивать, потому что потери энергии на прокачку, на циркуляцию, будут тем больше, чем больше плотность жидкости. Это все очень хорошие качества натрия, к тому же он сравнительно мало замедляет нейтроны по сравнению с водой, а значит, с натрием может быть реализован быстрый реактор, т.е. натрий не испортит быстрый спектр или испортит незначительно.

 Но у натрия есть и очень сильные недостатки, точнее сказать, один  недостаток,  но очень серьезный, это очень высокая химическая активность, очень высокая. Если реактор работает нормально, тогда  проблем с натрием не возникает, но всегда надо рассчитывать, что может случиться авария. Исключительная  химическая активность натрия проявляется, в основном,  в аварийных условиях. Если произойдет разгерметизация контура и натрий под напором насоса, предположим, будет идти струей, то в этом случае на воздухе натрий самовоспламеняется и возникает натриевый пожар. На атомных станциях с натриевыми теплоносителями периодически случаются натриевые пожары, такие пожары были и на БН-600, и на БН-350. Но, пожалуй, наиболее серьезная авария подобного рода произошла в 1994 г. на японском быстром реакторе, первом демонстрационном – MONJU, там шесть часов продолжалась течь натрия, японцы не могли ее найти, не могли идентифицировать пожар, но, к счастью, эта течь была на промежуточном, не радиоактивном натриевом контуре. Именно из-за того, что идет сильное взаимодействие натрия с водой или с воздухом, все натриевые реакторы имеют доконтурную схему – т.е. первый контур – радиоактивный натрий, а второй контур – нерадиоактивный натрий, и только после этого – пароводяной контур. Так вот, в MONJU потек, к счастью, не радиоактивный контур, но это был крах для японского менталитета, ведь у них, как говорится, все высшего качества. Чтобы представить последствия (у нас, конечно, такого не будет) — менеджер этого проекта покончил жизнь самоубийством (из небоскреба выбросился), была реорганизована вся структура управления этим проектом, был создан новый институт и была приостановлена вся программа развития быстрых реакторов, хотя это реакторы будущего, и начался пересмотр всего этого дела с нуля. Но, тем не менее, японское правительство планирует все-таки ввести этот реактор в эксплуатацию. Я там был – нас водили на экскурсию по тому месту, где произошла авария. Причина аварии, в общем-то, пустяковая – в большой трубопровод был вварен толстостенный чехол под термопару, а потом, чтобы тепловая инерционность была маленькая, он переходил на тонкостенный – и туда вставлялась термопара.   Так вот, не было хорошей «гантели» – плавного перехода от толстого металла к тонкому – был резкий переход. И в поперечном потоке натрия была вибрация – шла, шла, шла, появилась усталость металла, возникла трещина, пошел натрий, возник пожар и т.д. Вот к каким последствиям для японской программы привела эта авария. Все это связано с  химическими свойствами натрия. Первое — что он горит, хотя, это,  конечно, не бензин, но тушить его надо. Водой натрий тушить нельзя, для этого нужны совсем другие средства пожаротушения, и эти средства должны быть неотъемлемым атрибутом станции (который стоит денег). Чтобы предотвратить течь натрия, делают двойные трубопроводы, все очехлованные, если потечет один – подстрахует другой чехол,  там ставятся индикаторы и т.д. Все это привело к удорожанию такого реактора. И второе – тоже химическое свойство – интенсивное взаимодействие с водой, при этом идет экзотермическая реакция с выделением тепла. Если натрий бросить в воду – то произойдет взрыв, потому что идет реакция с большим выделением тепла, выделяется водород, образуется гремучая смесь и т.д. А если происходит течь парогенератора и струйка воды из трещины попадает в натрий – то очень быстро идет лавинообразное нарастание этой аварии, потому что появившись в одном месте, «свищ» воды разогревает остальное, соседняя трубка повреждается, от нее еще одна и т.д., поэтому требуются экстренные меры по локализации аварии, а это тоже все деньги, стоимость и т.д. Не говоря уже о том, что требуются разные выжимные мембраны устанавливать на этом контуре и т.д. Т.е. вот это недостатки натрия.