Характеристика рабочей среды

Теплоноситель - флюид (гелий, воздух, углекислый газ, вода, водяной пар, органическая жидкость, жидкий металл, расплав солей), циркулирующий через активную зону, чтобы вынести тепло, генерируемое в ней делением и радиоактивным распадом, к парогенераторам или теплообменникам, где это тепло передается теплоносителю второго контура. Некоторые реакторы имеют один контур, где теплоноситель превращается в пар и идет на турбину. Теплоноситель служит для отвода тепла из активной зоны реактора.

В качестве теплоносителей в ядерных реакторах используются вода, растворы и расплавы солей, металлы с низкой температурой плавления: натрий, сплав натрия с калием (NaK), газы: гелий, диоксид углерода и органические жидкости (терфенил и др.) Эти вещества являются хорошими теплоносителями и имеют малые сечения поглощения нейтронов.

На данный момент для решения задач охлаждения высоко энерго напряженных элементов контуров и систем, к которым относятся быстрые реакторы, ускорительно управляемые системы, реакторы синтеза лёгких ядер, трубки рентгеновских аппаратов, обсуждается концепция применения в качестве теплоносителя тяжелых металлов (Pb,Ga, эвтектики Pb – Bi, Pb – Li) [4].

Рассмотрим диаграмму Pb-Bi (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Диаграмма состояния Pb-Bi [6]

Как видно на рисунке 1.6 между ε-фазой и (Bi) кристаллизуется эвтектика при температуре 125 °С и содержании -55.5 % (ат.) Bi [5]. В данной работе используется рабочая температура 250 ⁰С, свойства теплоносителя при данной температуре указаны в таблице 1.3 [5].

Таблица 1.3 - Свойства теплоносителя при 250 °С [6]

Состав теплоносителя	ρ, кг/м3	ср, Дж/(кг·К)	λ, Вт/(м·К)	μ, 10-5 Па·с	ν, 10-4 м2/c	σ, 10-3 Н/м
44,5%Pb+55,5%Bi	1035,7	158,03	11,07	2,08	4,9	4,02

ρ – плотность; с_р – теплоемкость; λ – теплопроводность; μ – коэффициент вязкости; ν – динамическая вязкость; σ – поверхностное натяжение.

Основные теплофизические свойства сплава Pb+(55,5%)Bi представлены на рисунках 1.7, 1.9.

λ,

Рисунок 1.7 - Зависимость теплопроводности теплоносителя от температуры [6]

η,

Рисунок 1.8 - Зависимость вязкости теплоносителя от температуры [6]

Сравнение эвтектики Pb-Bi с водой [5]:

Ø Вода представляет собой прекрасный замедлитель и теплоноситель, который из-за большой теплоемкости (выше воды объёмная теплоёмкость только у металлов) не требует больших расходов. Чистая вода практически не активируется нейтронами. Однако она сильно поглощает нейтроны. Кроме того, низкая температура кипения воды (100^оС) вызывает высокое давление насыщенных паров (14 МПа). Сравнительно низкая критическая температура воды и высокое значение критического давления (Т_кр=374,15^о, р_кр =22,14 МПа) ограничивают максимальную температуру водяного теплоносителя.

Ø Эвтектика Pb-Bi. Этот теплоноситель имеет высокую термическую устойчивость, высокую температуру кипения, очень низкое давление насыщенных паров и может быть использован для охлаждения ЯЭУ при высоких температурах. Однако этот теплоноситель обладает повышенным сечением поглощения тепловых нейтронов и не может применяться в реакторах на тепловых нейтронах.

Технические преимущества эвтектики Pb-Bi в сравнении с водой[5]:

-возможность получения тепла на АЭС, электричества и водорода;

-отсутствие зашлаковки теплообменных поверхностей;

-простота отвода продуктов из зоны реакции;

-химическая инертность Pb-Bi ;

-минимальные габариты установки;

-высокая интенсивность процесса.

Реакторы с жидкометаллическим теплоносителем обладают некоторыми преимуществами перед реакторами водо-водяного типа. Применение в качестве теплоносителя расплавленных металлов позволяет увеличить температуру в первом контуре при сравнительно низком давлении (5 -7 атм), что повышает экономичность установок. Однако при этом усложняется обслуживание реактора, повышается его стоимость и вследствие усиленной защиты и введения в отдельных случаях дополнительного контура увеличивается вес установок [7].