Газообразные теплоносители

В качестве газообразных теплоносителей могут использоваться СО₂ и Не (водород взрывоопасен и не используется), хотя Н₂ применяется для охлаждения генераторов турбин, имеет самую высокую теплопроводность из газов.

Ядерно-физические свойства:

⊕Газообразные теплоносители имеют очень низкое сечение поглощения нейтронов.Газоохлаждаемые реакторы позволяют использовать очень бедное топливо, вплоть до природного урана. Получили распространение в Англии, так как на начальном этапе развития атомной энергетики обогащение не было освоено.

⊕Обладают радиационной стойкостью

⊕Очень слабо активируются (Не вообще не активируется – чётно-чётное инертное ядро).

⊖Имеют малое сечение рассеяния из-за слишком низкой плотности, требуют применения другого вещества в качестве замедлителя.

Теплогидравлические свойства:

Очень плохие.

⊖Большие затраты на прокачку при относительно низких коэффициентах теплоотдачи (необходимо применение повышенных скоростей, давлений, оребрение поверхности).

Физико-химические свойства:

⊕Газы химически инертны по отношению к окружающей среде и рабочему телу (но СО₂ может образовывать Н₂СО₃ – слабую кислоту).

⊕Коррозионно-инертны по отношению к конструкционным материалам (но СО2 восстанавливается при температурах более 650°С при контакте с углеродом, в том числе и сталью).

Эксплуатационные свойства:

⊕Высокий уровень отвода тепла при низких и умеренных давлениях. Давления поднимают до 50-60 атм. для уменьшения затрат на прокачку (сопротивление пропорционально квадрату скорости) и увеличения теплосъёма.

⊕Пожаробезопасны.

⊕Нетоксичны (СО₂ – в пределах допустимых концентраций).

⊕Достаточно доступны (но гелий дорог и редок).

⊖Гелий имеет большую проникающую способность (даже через конструкционные материалы – используется в газовом контуре РБМК в смеси с азотом).

⊖Гелий требует дополнительного оборудования.

Жидкие металлы

Применение связано с развитием быстрых реакторов и подводных лодок.

Среди лёгких металлов используются щелочные: Na (t_пл = 98°С), Na-K (t_пл = –10 ÷

–20°С), Li (t_пл = 187°С).

Из тяжёлых: Hg, Pb (t_пл = 324°С), Pb-Bi (t_пл = 120°С). У Pb-Bi практически нулевой коэффициент температурного расширения (у Pb – положительный, у Bi – отрицательный).

Ядерно-физические свойства:

⊕Низкое сечение поглощения нейтронов.

⊕Малое сечение рассеяния (из-за большого атомного веса жидкие металлы – плохие замедлители, используются в реакторах на быстрых нейтронах).

⊕Радиационно-стойкие (так как являются простыми атомарными структурами).

⊖Na очень сильно активируется, а Bi при активации даёт полоний, который очень летуч, ядовит и требует специальной системы очистки.

Теплогидравлические свойства:

Лучшие из всех теплоносителей.

⊕Обеспечивают отвод большой тепловой мощности с малых объёмов. (БН-600 имеет зону ~1 х 1 м мощностью 1470 МВт). α ~ 50÷150 кВт/[м²·К].

⊖Плотность свинца велика – большие затраты на прокачку, скорость составляет около1 м/с.

Физико-химические свойства:

⊕Термически стойки из-за атомарной структуры.

⊕Коррозионно-инертны к большинству конструкционных. Но инертность поддерживается дозированным содержанием кислорода (особенно в свинце) для поддержания оксидной плёнки.

⊖Натрий химически агрессивен, сильно взаимодействует с воздухом, водой и водяным паром.

Эксплуатационные свойства:

⊕Высокий уровень отвода тепла при низких давлениях (давление Na – 2-3 атм).

⊕Широко распространены, доступны, относительно недороги.

⊖Натрий пожароопасен, но имеется вариант Na-Pb, где натрий перестаёт гореть в воде и на воздухе.

⊖Требуют дополнительных устройств (системы обогрева для перевода в жидкое состояние). При применении газового обогрева – 2-х слойные трубы и кожух над корпусом реактора; или электронагреватели с теплоизоляцией.