CC BY
17
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ВЫБОРЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
ЯЭУ
Кухнина О.А.1, Логинова С.С.2, Суменкова Т.В.3, Дунцев А.В.4
Кухнина Ольга Андреевна - магистрант;
2Логинова Светлана Сергеевна - магистрант;
3Суменкова Татьяна Вячеславовна - магистрант; 4Дунцев Андрей Всеволодович - кандидат технических наук, доцент, кафедра ядерных реакторов и энергетических установок, Институт ядерной энергетики и технической физики, Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород
Аннотация: теплоноситель — жидкое или газообразное вещество, которое применяется для передачи тепловой энергии. Одним из основных требований, применяемых к теплоносителям ЯЭУ: хорошие теплопередающие свойства, обеспечивающие высокую теплоотдачу от активной зоны и передачу тепла в III контур или в теплообменники I, II контура; малая затрата мощности на циркуляцию теплоносителя по первому контуру; высокая температура кипения и низкая температура плавления; совместимость теплоносителя с конструкционными материалами первого контура.
Ключевые слова: теплоноситель, основные требования, циркуляция.
Дадим определение тому, что такое теплоноситель и какие основные требования применяются к его выбору.
Теплоноситель — жидкое или газообразное вещество, которое применяется для передачи тепловой энергии [1].
Теплоноситель в двухконтурных РУ из реактора поступает в парогенератор, вырабатывающий пар, который приводит в действие турбины. В одноконтурных реакторах сам теплоноситель (пароводяной или газовый) может служить рабочим телом паротурбинного цикла. В исследовательских (например, материаловедческих) и специальных реакторах (например, в реакторах, предназначенных для накопления радиоактивных изотопов) теплоноситель лишь охлаждает реактор, а тепло, полученное в нем, не используется.
Основные требования, применяемые к теплоносителям ЯЭУ
Одни из основных требований, применяемых к теплоносителям ЯЭУ:
1) Хорошие теплопередающие свойства, обеспечивающие высокую теплоотдачу от активной зоны и передачу тепла в III контур или в теплообменники I, II контура;
Теплопередающие качества теплоносителя определяются коэффициентом теплоотдачи (а), т.е. коэффициент теплоотдачи прямо пропорционален удельной мощности и обратно пропорционален величине поверхности теплообмена при заданных скоростях и температурных напорах, и как следствие меньше габариты и вес ЯЭУ. q = а(АЬ)
МТ = цр = Ра(А£) =--—
/^аО:10
Проследим на примере конвективного теплообмена при вынужденном турбулентном режиме движения влияние теплофизических свойств теплоносителя на коэффициент теплоотдачи. В этом случае а определяется:
N4= С1И етРгп (6.1)
Ли = — - Число Нуссельта д е = — = - Число Рейнольдса
V /л
Рг = - = = 1—р- Число Прандтля,
й А Л
где d - характерный геометрический размер;
X - коэффициент теплопроводности теплоносителя;
Ж - скорость теплоносителя;
- - кинематическая вязкость теплоносителя;
[ - динамическая вязкость теплоносителя;
Ср - изобарная теплоемкость.
Для жидкостей газов имеем: С1=0,023; т=0,8; п=0,4; Рг=1..3; Для жидких металлов имеем: с1=0,625; т=0,4; п=0,4; Рг=0,01..0,1; Подставив эти величины в выражение (6.1) получаем:
а-Л1'11ртСрп ¿гС"1-») В общем случае: т, п, с - постоянные т > п; т < 1; п < 1.
Приведенное выше наглядно показывает, что для получения больших значений а должны быть высокие X, р, Ср и малая величина [. Количество тепла, переданное в единицу времени (мощность), определяется: Лт = С Ср {Твъ1х - Тех) = 0.Р Ср (Теых - Тех), где в - массовый расход;
Твх и Твых - температуры на входе и выходе реактора соответственно. Чем больше Ср и р, или их произведение, тем больше можно передать тепла при данной разности температур. А так же меньше будет разность температур при заданном количестве теплоты. Следовательно, выбирая теплоноситель, необходимо учитывать теплофизические свойства в совокупности.
2) Малая затрата мощности на циркуляцию теплоносителя по первому контуру;
С целью повышения экономичности и надежности установки необходимо, минимизировать мощность, потребляемую циркуляционными насосами. Формула расчета мощности, потребляемой ГЦНПК на прокачку теплоносителя: _ р№2 С _ рв2 С С3
2 р 2/т2 р (9-
с3 мр
Лп= — , где С = —-—-—- - весовой расход, тогда
И Ср (Твых ~ твх)
N3
N =---
п С3(Т -Т )Иг
^ру'вых 1 в^р
Принимая во внимание расчеты, можно сделать вывод, что чем выше Ср и р теплоносителя, тем ниже затрачиваемая мощность, необходимая для его прокачки.
3) Высокая температура кипения и низкая температура плавления;
Для ЯЭУ с реакторами не кипящего типа максимальная температура теплоносителя ограничивается температурой кипения при давлении в первом контуре. Следовательно, тем выше должно быть давление для достижения необходимой температуры из условия высокого КПД установки. Это усложняет конструкцию, увеличивает вес и ее стоимость. Поэтому, желательно иметь температуру теплоносителя, которая не ограничивается 1кип. Высокая температура плавления снижает ее надежность.
4) Совместимость теплоносителя с конструкционными материалами первого контура;
Малое коррозийное воздействие теплоносителя на конструкционные материалы благоприятно с трех сторон:
а) Повышается надежность и долговечность установки;
б) В теплоносителе не появляются продукты коррозии, и, как следствие, меньше наведенная радиоактивность и возможность засорения;
в) Возможность применения обычных материалов, что удешевляет установку.
5) Безопасность в обращении;
Не все теплоносители отвечают требованиям в безопасности в обращении. Некоторые газы, щелочные металлы, ртуть представляют опасность для обслуживающего персонала, т.к. токсичны и (или) могут образовывать взрывчатые смеси.
6) Умеренная стоимость и доступность получения;
Применяемый теплоноситель по возможности должен быть дешевым и простым в изготовлении.
7) Малое сечение захвата нейтронов и низкая наведенная радиоактивность; Малое сечение поглощения нейтронов теплоносителем позволяет более
эффективно использовать нейтроны в активной зоне, что благоприятно сказывается на загрузке активной зоны и процент обогащения топлива. Наведенная в теплоносителе радиоактивность требует дополнительной биологической защиты первого контура, снижает доступность установки для осмотра и ремонта. Следовательно, образование дополнительных радиоактивных изотопов в теплоносителе не желательно.
8) Хорошая устойчивость при воздействии высокой температуры и радиационного облучения.
Это требование является обязательным для всех теплоносителей, поскольку появление в теплоносителе под воздействием температуры и излучении газообразных и других включений нарушает не только теплофизические свойства теплоносителя, но и ухудшает надежность обслуживания и работы установки.
Список литературы
1. Мерзликин Г.Я. Основы теории ядерных реакторов. Курс для эксплуатационного персонала АЭС / Г.Я. Мерзликин; Севастополь: СИЯЭиП, 2001.
