Основной функцией теплоносителя является восприятие теплоты реакции деления в активной зоне ядерного реактора, перенос ее в парогенератор или теплообменный аппарат другого типа и передача рабочему телу. В одноконтурных ЯЭУ (ядерная энергетическая установка) теплоноситель одновременно является рабочим телом, а в некоторых типах ядерных установок выполняет роль замедлителя нейтронов.

В качестве теплоносителей и рабочих тел можно использовать различные вещества, отвечающие ряду требований:

Ядерно-физические требования – определяют качества, которыми должен обладать теплоноситель с точки зрения влияния на условия осуществления цепной реакции деления и стабильности физических свойств самого теплоносителя под воздействием нейтронного и гамма-излучений:

• теплоноситель должен иметь малое сечение захвата нейтронов во избежание ухудшения размножающих свойств активной зоны реактора;
• если теплоноситель используется одновременно и как замедлитель нейтронов, он должен обладать требуемыми замедляющими свойствами;
• теплоноситель должен быть радиационно стоек с целью обеспечения постоянства его физических свойств при воздействии различного рода облучений;
• теплоноситель должен подвергаться минимальной активации при прохождении через активную зону реактора, обеспечивая лучшие условия радиационной обстановки в помещениях судна и требуемые массогабаритные показатели биологической защиты.

Физико-химические свойства – определяют воздействие теплоносителя на конструкционные материалы, из которых изготовлены элементы ядерного реактора и активной зоны, а также взаимодействие с различными средами:

• теплоноситель должен обладать низкой химической активностью по отношению к конструкционным материалам;
• должен обеспечивать минимальное взаимодействие с другими рабочими телами, присутствующими в энергетической установке.

Теплофизические свойства – характеризуют теплоноситель как теплоаккумулирующую и теплопередающую среду.

• теплоноситель должен обеспечивать возможность получения высоких температур рабочего тела с целью обеспечения высокого КПД установки;
• теплоноситель должен обладать высокой интенсивностью теплоотдачи, снижающей расход самого теплоносителя и уменьшающей площадь поверхностей нагрева;
• затраты мощности на прокачку теплоносителя в контуре установки должны быть минимальными во избежание увеличения мощности и массогабаритных показателей циркуляционных насосов.

В качестве теплоносителей и рабочих тел судовых ЯЭУ можно использовать: обычную и тяжелую воду, газы, жидкие металлы, органические жидкости и расплавы солей.

Вода

Вода является самым распространенным веществом в природе, которое может быть использовано в качестве замедлителя, теплоносителя и рабочего тела в ЯЭУ. Чистая, не содержащая примесей вода практически не активируется при прохождении через активную зону реактора, но с течением времени становится радиоактивной в основном за счет активации механических примесей и продуктов коррозии, попадающих в воду в процессе работы установки.

Теплофизические свойства воды хорошо изучены. Критические параметры воды: P_кр = 22,115 МПа; T_кр = 647,12 К; p_кр = 317, 76 кг / м³; i_кр = 2,095 • 10⁶ кДж / кг.

Вода имеет низкое значение критической температуры, поэтому относится к низкотемпературным теплоносителям. Плотность воды практически не зависит от давления. По теплоемкости вода является лучшим жидким теплоносителем. Ее теплоемкость примерно в 8 раз больше, чем теплоемкость натрия, и в 1,45 раза больше, чем дифенила. Вода обладает хорошей теплопроводностью. Ее теплопроводность в несколько раз больше теплопроводности органических теплоносителей, но в десятки раз меньше, чем теплопроводность жидких металлов. Вода обладает достаточно хорошими замедляющими свойствами, что позволяет использовать ее одновременно в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя. Отрицательным свойством воды является ее подверженность радиолизу – разложению на водород и кислород под воздействием ионизирующих излучений. При этом изменяется коррозионная активность воды и образуется взрывоопасная смесь. Низкая стоимость, доступность и благоприятное сочетание физических свойств сделали воду самым распространенным теплоносителем и рабочим телом ЯЭУ.

Тяжелая вода (дейтерий)

Тяжелая вода (D₂O) по сравнению с обычной водой имеет значительно лучшие ядерно-физические свойства. Она практически не поглощает тепловых нейтронов и поэтому является лучшим замедлителем. Применение тяжелой воды в роли замедлителя позволяет использовать в качестве ядерного топлива даже природный необогащенный уран. Однако стоимость тяжелой воды очень высока. Остальные свойства сходны со свойствами обычной воды. Критические параметры тяжелой воды: P_кр = 21,845 МПа; T_кр = 644,5 К; p_кр = 337,27 кг/м³.

Органические теплоносители

В качестве органических теплоносителей в ЯЭУ используются индивидуальные полифенилы (производные бензола, включающие два или более ароматических кольца C₆H₅ ) и их смеси. Органические теплоносители обладают некоторыми преимуществами по сравнению с водой: имеют более низкое давление насыщенных паров; не оказывают коррозионного воздействия на конструкционные материалы; характеризуются очень малой наведенной активностью. Однако при своих положительных свойствах органические теплоносители имеют и принципиальные недостатки: низкую термическую стойкость, которая приводит к разложению (пиролизу) органических веществ под воздействием высоких температур и к изменению их физико-химических свойств (обычно эти вещества термостабильны до 595 ÷ 675 К); низкую радиационную стойкость (разложение под воздействием облучений). Применение органических веществ в качестве теплоносителя в перспективных ЯЭУ будет зависеть от успехов в создании новых радиационно/термически устойчивых органических соединений.

Жидкие металлы

Жидкие металлы можно использовать в качестве теплоносителя первого контура ядерной установки, и как рабочее тело ЯЭУ, выполненной по схеме с бинарным циклом. В установках с ЖМТ в качестве теплоносителя обычно используют металлы и сплавы, имеющие низкие температуры плавления: натрий – Na , калий – K , сплавы натрия и калия – Na + K , висмут – Bi , свинец – Pb , сплавы свинца и висмута – Pb + Bi , ртуть – Hg, литий – Li и некоторые другие металлы. Преимуществами ЖМТ являются: высокие температуры кипения металлов, позволяющие повысить температуру теплоносителя и рабочего тела, и соответственно КПД цикла; низкие давления насыщенных паров; высокая радиационная и термическая стойкость; высокая теплопроводность, обеспечивающая интенсивную теплоотдачу. К недостаткам ЖМТ можно отнести: невысокую теплоемкость; высокую (для щелочных металлов) химическую активность по отношению к воде и воздуху.

Каждый металл или сплав имеет индивидуальные положительные или отрицательные свойства. Так, наиболее низкую температуру плавления из всех жидких металлов имеют: сплав калия с натрием (77,2 % К + 22,8 % Na) ( t_пл = -12,65 °C) и ртуть (t_пл = - 38,83 °C). Натрий и калий являются очень активными металлами и вступают в бурную химическую реакцию при соприкосновении с водой. Литий ( t_пл = 180,5 °C ) по своим теплопередающим свойствам является лучшим теплоносителем для ЯЭУ, но ведет себя очень агрессивно по отношению к конструкционным материалам. Висмут обладает достаточно высокой температурой плавления (t_пл = 271,4 °C) и большой плотностью (р=9750 кг/м³), но его ядерно-физические и физико-химические свойства достаточно уникальны: он практически не вступает в реакцию с водой, имеет очень малое сечение захвата нейтронов (в 17,6 раза меньше, чем у воды) и обладает способностью растворять металлическое ядерное топливо, что позволяет использовать его для жидкометаллических топливных систем, которые одновременно служат теплоносителем. При захвате нейтрона висмут превращается в радиоактивный летучий изотоп полония – (период полураспада 103 года). Поэтому использование висмута или его сплавов в качестве теплоносителя предъявляет повышенные требования к герметичности первого контура.

Хорошие свойства для ЖМТ имеет сплав свинца с висмутом, состоящий из 44,5 % Pb и 55,5 % Bi и имеющий достаточно низкую температуру плавления – t_пл=125 °C.

Газы

В качестве газовых теплоносителей и рабочих тел для использования в ЯЭУ можно рассматривать: водород – H₂ , гелий – He, азот – N₂ , воздух, углекислый газ – CO₂ , метан и некоторые другие газы. Основными преимуществами газовых теплоносителей и рабочих тел по сравнению с жидкими веществами являются: более высокие термическая и радиационная стойкость; химическая (коррозионная) пассивность. К недостаткам газовых теплоносителей относятся: низкие значения плотности, теплоемкости и теплопроводности, и как следствие – низкая интенсивность теплоотдачи.

По совокупности ядерно-физических, физико-химических и теплофизических свойств лучшим газовым теплоносителем является водород. Но высокая взрывоопасность водорода не позволяет использовать его в судовых ЯЭУ. Самым перспективным газовым теплоносителем для судовых ЯЭУ является гелий. Он практически не захватывает нейтроны и является хорошим замедлителем, химически стабилен и не реагирует с конструкционными материалами контура циркуляции и активной зоны. К недостаткам гелия следует отнести малую объемную теплоемкость, высокую стоимость и высокую текучесть.

Основные свойства некоторых теплоносителей приведены в таблице:

Литература

Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]

• Схема дизельной установки: механизмы и устройства
• Требования к судовым дизелям: конструкции деталей
• Дейдвудное устройство: подшипники, трубы, сальник
• Системы дизельных энергетических установок
• Конструкция основных элементов паровых турбин