Особенности реакторов на быстрых нейтронах, страница 2

Один из центральных моментов, в значительной степени опре­деляющих конструкцию реакторов на быстрых нейтронах, — выбор теплоносителя. Теплоноситель реактора на быстрых нейтронах должен слабо замедлять нейтроны, иметь малую наведенную активность, быть радиационно-стойким. Кроме того, он должен удовлетворять таким теплофизическим свойствам, как высокая теплоемкость и теплопроводность, умеренная вязкость, высокая температура кипения при атмосферном давлении, термостойкость. Теплоноситель должен быть совместим с конструкционными материалами, топливом, рабочим телом системы электрогенерирования.

Высокая теплоемкость при прочих равных условиях уменьшает подогрев теплоносителя в активной зоне, т. е. улучшает температурный режим работы конструкции в переходных процессах. Высокая теплопроводность теплоносителя уменьшает перепад между температурой оболочки и среднемассовой температурой теплоносителя, что снижает температуру конструкционных материалов. Умеренная вязкость приводит к высоким числам Re потока при невысокой линейной скорости течения и малых размерах каналов охлаждения. Это увеличивает значение Nu, уменьшает затраты мощности на прокачку теплоносителя, уменьшает скоростной напор теплоносителя и его воздействие на элементы конструкции, снижает опасность вибрации конструкции. Высокая температура кипения позволяет использовать теплоноситель при низком давлении.

На первых этапах разработки реакторов на быстрых нейтронах были исключены из числа возможных теплоносителей водяной пар и углекислый газ, ртуть и литий, калий и эвтектика натрий — калий и выбраны натрий, гелий.

Натрий из всех щелочных металлов обладает наибольшей теплопроводностью, достаточно высокой теплоемкостью, относительно невысокой температурой плавления, высокой температурой кипения. Затраты мощности на прокачку натрия невелики. Среди недостатков натрия можно отметить высокую активацию при прохождении активной зоны; способность замедлять нейтроны, что в случае потери теплоносителя из активной зоны приводит к изменению реактивности реактора; взаимодействие с водой с выделением водорода и большого количества тепла.

Исследования коррозионной стойкости конструкционных материалов в среде натрия показали, что при ограничении содержания примесей, особенно примеси кислорода, до 5•10⁴⁰ % и менее работоспособность конструкций из нержавеющих сталей или никелевых сплавов определяется уже не процессами коррозии или массопереноса по контуру, а лимитируется прочностными свойствами материалов и их поведением в условиях реакторных излучений. Скорость натрия в активной зоне ограничена ~10 м/с из-за вибрации твэлов и эрозионного износа оболочек. В совокупности с определенным подогревом теплоносителя в активной зоне, лимитируемым циклом преобразования энергии и экономическими соображениями, ограничение скорости теплоносителя приводит к уменьшению максимальной длины твэла. Поэтому очевидно, что с увеличением мощности реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем его активная зона становится более уплощенной.

Гелий — наиболее подходящий газообразный теплоноситель для реактора на быстрых нейтронах. Он обладает достаточно высокими теплофизическими свойствами; термически и радиационно стоек, не активируется под облучением, слабо замедляет нейтроны. Следствием последнего оказывается то, что спектр нейтронов в реакторах на быстрых нейтронах с гелием более жесткий по сравнению со спектром в натриевых реакторах, a KB увеличивается на 0,1—0,15 при прочих равных условиях. Однако из-за низкой плотности при нормальных условиях гелий необходимо использовать при высоком давлении, чтобы сделать приемлемыми затраты мощности на его циркуляцию.

В качестве теплоносителя реакторов на быстрых нейтронах рассматриваются также диссоциирующие газы, например четырехокись азота. За счет тепловых эффектов реакции диссоциации значительно повышается эффективная теплопроводность и теплоемкость диссоциирующих теплоносителей, увеличивается коэффициент теплоотдачи. Затраты мощности на прокачку четырехокиси азота снижаются в 7—8 раз по сравнению с гелием. Использование диссоциирующего теплоносителя позволяет несколько снизить давление в корпусе реактора. Существенный недостаток этих теплоносителей — высокая токсичность.

В построенных энергетических реакторах на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя используется пока только жидкий натрий. Реакторы на быстрых нейтронах с газовым теплоносителем находятся в стадии проектирования.