Натрий-калиевый теплоноситель

Натрий-калиевый теплоноситель

Следующий теплоноситель из легких – натрий-калиевый, т.е. сплав натрия с калием. Это сравнительно легкие металлы. Наверное, правильнее говорить калий-натрий, потому что в этом сплаве калия 78 %, а натрия – 22 %, вот такой  эвтектический сплав. Какие особенности этого теплоносителя? Натрий плавится при 980 С, калий плавится примерно при 1800 С, а вот сплав такого состава натрия с калием плавится при минус 110 С. Т.е. если соединить эти металлы, то сплав  будет жидкий при комнатной температуре и затвердевает только при –110
С. Он достаточно теплопроводный,  хуже, конечно, чем натрий (потому что калий менее теплопроводный материал), но в смысле агрессивности он еще, как говорится, почище будет, чем натрий, т.е. если натрий взрывается слабо, то сплав натрий +калий (если пробирку в ванну бросить), так шарахнет, что мало не покажется. И все-таки, почему же калий – натриевый теплоноситель в ядерной энергетике где-то нашел свое применение. Где? Он нашел свое применение в реакторах космических установок. В тех реакторах, которые летали на спутниках. Понятно, почему.  Ведь в космосе вакуум, значит, пожара быть не может, если произойдет разгерметизация. И экипажа тоже нет, поэтому в смысле безопасности никаких особых мер принимать не надо. Поскольку теплоноситель легкий, то он хорошо подходит для подъема груза на орбиту ракетой, и поскольку он жидкий при комнатной температуре, то его не нужно разогревать, а для ракеты это все выливается в дополнительные системы и энергию. Т.е. на стартовой позиции эти установки (те, которые летали — «Бук», «Топаз») заправляются из специальных заправочных емкостей натрием и калием с соответствующими мерами предосторожности, далее герметизируются, потом запускается ракета, а уже в космосе, по радиокомандам с Земли включается система управления, реактор выводится на мощность и начинает работать.

Вопрос – там же холодно.  

Холодно – так реактор включается в работу, пока ракета летит в атмосфере, ракета разогревается от трения о воздух, а реактор вовремя включается, чтобы не произошло замораживания при минус 110 С, там же в космосе действительно низкая температура.

И еще, почему для космических реакторов годится только высокотемпературный теплоноситель? Ни вода, ни низкотемпературный теплоносители не годятся. Почему? Ведь для того, чтобы преобразовать тепловую энергию в электрическую, всегда нужны горячий и холодный источники. Вот в паротурбинном цикле горячий источник – это реактор, который дает тепло-пар, а холодный – это охлаждающая вода из прудов, или из градирен, туда сбрасывается  60 – 70 % произведенного тепла. В полезную нагрузку превращается только 30 – 40 % энергии. А в космосе каким образом тепло можно сбросить? Ведь термодинамику не обойдешь.

Вопрос – нужно поставить на корпус аппарат.

На какой корпус аппарат? Нужен радиатор, чтобы сбрасывать тепло в космос, в космическое пространство, где температура близка к абсолютному нулю. Значит, нужен высокотемпературный радиатор, т.е. на поверхности этого спутника есть разветвленная система, аналогичная системе бытовых холодильников. У холодильника сзади есть радиатор, который сбрасывает тепло в помещение, он сбрасывает тепло за счет конвекции воздуха, аммиак (или фреон) циркулирует в радиаторе, нагревает его, холодный воздух подходит и тепло уносится в помещение. А в космосе тепло отдать можно только излучением. А теплоотдача излучением (она определяется законом Стефана-Больцмана) пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры, поэтому если применять низкотемпературный теплоноситель, то нужны такие огромные поверхности этих радиаторов, которые никакая ракета не поднимет. И поэтому там сбросная, холодная температура, где-то на уровне 500-6000
С, а горячая температура – 7000 С. Вот особенности эксплуатации космических реакторных установок. Если речь не идет о ракетном двигателе, где рабочее тело выбрасывается просто в космос и уносит теплоту, то для реакторного замкнутого теплового цикла тепло может сбрасываться только излучением, и поскольку ограничены габариты и веса, то холодная температура вот этого радиатора должна быть порядка 400-5000 С. Вот это применение, которое натрий-калиевый теплоноситель нашел в космосе, кроме того, он также используется в быстрых реакторах с натриевым теплоносителем, во вспомогательных контурах, поскольку достаточно рискованно натрий охлаждать напрямую водой. Поэтому в натриевых реакторах существуют промежуточные системы с натрий-калием, которые могут охлаждаться воздухом, т.е. надо рассматривать аварийные системы охлаждения, для вспомогательных целей.