Libmonster ID: UA-1609

Share this article with friends

 Автор: Зродников А. В., Ефанов А. Д., Козлов Ф. А., Югай В. С.

Доктор технических наук А. В. ЗРОДНИКОВ, генеральный директор ГНЦ РФ "Физико-энергетический институт" им. Лейпунского,

доктор технических наук А. Д. ЕФАНОВ, директор теплофизического отделения того же института,

доктор технических наук Ф. А. КОЗЛОВ, заместитель директора того же отделения,

кандидат технических наук В. С. ЮГАЙ, помощник директора того же отделения

Надежды в развитии атомной энергетики XXI века в основном связаны с реакторами на быстрых нейтронах. Эти устройства перерабатывают уран практически полностью, а не ничтожную часть, как их тепловые аналоги, что позволяет расширить масштаб использования сырья в замкнутом цикле.

Уже в начале конструирования "быстрого" реактора ученые знали: высокая плотность энерговыделения в активной зоне (в 10-100 раз превышает аналогичную в реакторах на тепловых нейтронах) и применение внутри ее материалов с незамедляющими свойствами (слабым поглощением нейтронов) - основные критерии выбора теплоносителя, служащего для отвода тепла. Но для решения этой задачи используемая ранее вода, а также органические и некоторые кремнийорганические соединения, имеющие удовлетворительные теплофизические свойства, из-за присущего им быстрого поглощения нейтронов оказались непригодными. Было исследовано множество веществ, пока в конце 40-х - начале 50-х годов XX в. академик А. И. Лейпунский не предложил оригинальную идею - в качестве теплоносителей использовать жидкие металлы. Последующие эксперименты подтвердили правильность этой концепции, ибо поглощение быстрых нейтронов натрием, калием, свинцом, висмутом, железом, хромом, никелем оказалось незначительным.

В дальнейшем в Физико-энергетическом институте выполнили комплекс работ по изучению жидких металлов (натрия, эвтектических сплавов натрий-калий и свинец-висмут, лития), заложивших основы теплогидравлики, физической химии и технологии их применения в качестве теплоносителей в ядерных энергетических установках. В результате совместно с конструкторскими организациями и предприятиями отечественной промышленности удалось создать аппараты и системы, обеспечивающие успешную эксплуатацию принципиально новых устройств с оригинальными научно- техническими решениями, не имеющие аналогов в мировой практике.

К таковым относится промышленная АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-600, оборудованным натриевым теплоносителем, которую эксплуатируют уже свыше

стр. 26


стр. 27


20 лет*. Другой пример - энергетические установки "Бук", "Тополь", "Топаз"** и "Енисей" (теплоноситель натрий-калий, цезий, галлий) для космических аппаратов. И наконец, агрегаты для атомных подводных лодок, использующие свинец-висмут.

Рассмотрим подробно перечисленные теплоносители, чтобы выяснить их особенности.

Как уже говорилось, наибольшая эффективность атомной энергетики достигается только при использовании всего энергетического потенциала урана, что можно реализовать, лишь применяя реакторы на быстрых нейтронах, где теплоносителем служит натрий. Работы, выполненные в начале 50-х годов прошлого века не только в России (длительная эксплуатация экспериментальной установки БР- 5), но и в ряде других стран, создающих аналогичные агрегаты, подтвердили верность такого выбора. Помимо удовлетворяющих теплофизических, гидродинамических и технологических характеристик натрий обладает еще и высокой химической активностью. По мере накопления опыта эксплуатации установок БР-5, а затем и БР-10 мы проектировали и изучали систему в комплексе: теплоноситель - примеси - конструкционные материалы - защитный газ.

Главное условие нормальной эксплуатации АЭС - реакторная чистота теплоносителя. Эта характеристика обеспечивается в две стадии. В нашем случае перед заполнением системы натрий сначала механически очищают от консервирующей органической массы с последующей отмывкой в керосине, затем дистилляцией доводят до реакторной чистоты. Теперь он готов для заполнения реакторов атомных электростанций.

Однако в процессе работы последних в теплоносителе появляются посторонние примеси - оксид и гидрид натрия, а также тритий. Их количество во многом зависит от конструкционных материалов. Для поддержания натрия в нужной кондиции сейчас применяют так называемые холодные ловушки. В этих агрегатах, объем которых составляет 1-2 м 3 , примеси аккумулируются и кристаллизуются; с помощью регенерации их очищают.

Исследования сотрудников нашего института физико- химических и теп-


* См.: В. И. Субботин. Атомная энергетика: взгляд в будущее через прошлое. - Наука в России, 1997, N 1 (прим. ред.).

** См.: А. В. Зродников, А. П. Сорокин. Обнинск - наукоград XXI века. - Наука в России, 1999, N 2 (прим. ред.).

стр. 28


ломассообменных процессов, протекающих в холодных ловушках, проведенные совместно со специалистами Особого конструкторского бюро машиностроения (Нижний Новгород) привели к созданию агрегата, превосходящего по основному показателю (емкость по примесям) лучшие зарубежные аналоги в 3-5 раз.

И наконец, в рассматриваемой системе наличествует защитный газ: им заполнены полости внутри реактора (в нашем случае это азот, иногда аргон). Их наличие обусловлено требованием гидродинамики теплоносителя и безопасности реактора в целом.

Таким образом, разработанные методы контроля примесей в теплоносителе и защитном газе обеспечили выполнение основных задач: длительную безаварийную работу промышленных установок и проведение исследований.

Помимо перечисленных положительных свойств натрия у него есть ахиллесова пята - высокая химическая активность по отношению к воздуху и воде. Учитывая это, при проектировании АЭС особое внимание было уделено раннему обнаружению попадания воды в данный теплоноситель и обеспечению пожарной безопасности установок*.

Более чем полувековой опыт применения натрия заложил основы технологии отмывки и дезактивации оборудования, уничтожения самого отработанного теплоносителя и отходов, образующихся при эксплуатации установок. Тем не менее потребуется еще немало усилий для совершенствования имеющихся и создания новых специальных систем.

По мере развития научно-технического прогресса атомные агрегаты стали использовать не только на Земле. В 1956-58 гг. начали конструировать бортовые космические ядерные энергетические установки (ЯЭУ) с термоэлектрическим и термоэмиссионным способами преобразования энергии, в которых теплоносителем был натрий-калий. Здесь вопрос очистки последнего вновь вышел на первое место. Ее осуществляли в две стадии - при подготовке системы перед заправкой и в ходе поддержания в нужной кондиции в процессе эксплуатации.

В 1967 г. в нашем институте изучали также растворимость кислорода и водорода в эвтектике и других сплавах натрия и калия. Было выявлено: взаимодействуя со сплавом, эти газы при температуре выше 180С образуют гидроксид почти эквимольного состава (т. е. одинаковое количество NaOH и КОН), вследствие чего агрессивность среды при высоких концентрациях примесей многократно возрастает. При более низких температурах он распадается, и глубокая очистка сплава, загрязненного одновременно кислородом и водородом, возможна лишь при существенном преобладании одного компонента над другим. Естественно, возник вопрос: каким образом освободиться от какого-то из газов? Дальнейшие исследования показали: реальнее всего избавиться от водорода. Выяснилось также, что наиболее эффективным его геттером (поглотителем) является сплав, состоящий из 99% циркония и 1 % ниобия. На его поверхности образуется прочная, не отслаивающаяся пленка оксида, способная удержать большое количество водорода. В последующем из этого сплава стали делать сетки с очень большой поверхностью поглощения (так называемые горячие ловушки), которые использовали как в космических ЯЭУ, так и в наземных установках.

Именно таким образом провели очистку теплоносителя и осуществили заполнение им энергетических установок "Бук", "Топаз", "Енисей". При испытаниях и работе множества их наземных прототипов и 35 космических ЯЭУ с теплоносителем натрий-калий не было никаких инцидентов. Кстати, данные разработки - приоритетные, аналогов в мире нет.

Кроме названных теплоносителей, у нас с 1964 г. проводят пионерские работы (они до сих пор никем не повторены) по изучению цезия как рабочего тела в термоэмиссионных преобразователях энергии типа "Топаз". Исследования взаимодействия этого металла с кислородом и водородом, в основном влияющих на его чистоту, продолжаются до сих пор.


* См.: В. И. Субботин. Основы безопасности ядерной энергетики. - Наука в России, 1998, N 1 (прим. ред.).

стр. 29


Полученные результаты позволили создать установки, превосходящие по продолжительности работы свои аналоги в 3-4 раза.

Есть в наших перспективных планах и еще одна тема. В 1963 г. американский ученый Д. М. Гровер впервые предложил так называемую тепловую трубу Она представляет собой устройство в виде замкнутого контура с естественной циркуляцией в нем теплоносителя, в котором тепло из зоны подвода к месту отдачи переносит пар, а возврат рабочего тела (теплоносителя) осуществляется в жидкой фазе под действием капиллярных и гравитационных сил без внешних воздействий. Теплопроводность этой трубы, сделанной из нержавеющей стали, скажем, с натриевым теплоносителем, в десятки тысяч раз превосходит таковую в серебряном или медном теплопроводе таких же размеров. Данные устройства обеспечивают высокую изотермичность, односторонний перенос тепла, терморегулирование и многое другое, что делает их привлекательными для различных областей техники.

Несмотря на внешнюю простоту устройства, процесс тепло- и массопереноса в указанных трубах очень сложен. Здесь присутствует испарение и конденсация, течение со вдувом и отсосом, переход через скорость звука в паре при пуске, разделение смесей на компоненты (сильнейшее влияние на первые два процесса оказывают даже незначительные примеси газа, продуктов коррозии и т. д.). Поиск в этом направлении в институте начали в 1967 г.

Вскоре оказалось, что тепловые трубы просто незаменимы при создании теплообменников, например, для двигателей Стирлинга*. Тогда наши специалисты создали универсальную систему подвода тепла для этого агрегата, позволившую использовать различные источники энергии (органическое топливо, ядерный реактор, солнечное излучение) и стенд для ее испытаний. Было показано: с ее помощью за счет изотермичности теплопередающей поверхности можно поднять кпд двигателя с 17 до 26% при работе на органическом топливе и резко увеличить его ресурс. На последующих моделях теплообменников кпд вообще достиг 30-32% при температуре греющейся поверхности около 700 0 С.

Затем стало ясно: высокотемпературные тепловые трубы будут востребованы и в ядерных энергоустановках, и в космических, правда, для этого необходимо обеспечить их надежное функционирование в течение более 10 лет, что потребовало значительной доработки существующих технологий, которую мы и провели в конце 90-х годов. Трубы стали изготавливать из нержавеющих и жаростойких сталей и сплавов, заполняя так называемыми фитилями - мелкоячеистой объемной решеткой из металловойлока. Вся конструкция была рассчитана на длительный режим работы при температуре до 750 0 С. Но в настоящее время мы продолжаем совершенствовать технологию изготовления данных изделий из тугоплавких металлов, на этот раз наполненных литием. И уже созданная из молибдена труба рассчитана на работу при температуре 1300-1400 0 С. Более того, есть концептуальная схема системы аварийного расхолаживания быстрых натриевых реакторов, которая должна действовать по принципу тепловых труб и обеспечивать возможность пассивного (без участия оператора) пуска и функционирования установок при возникновении аварийных ситуаций.

Как уже говорилось, одним из основных направлений в деятельности нашего института с середины XX в. стала разработка ЯЭУ для атомных подводных лодок. Первый циркуляционный стенд со свинцово-висмутовым теплоносителем был создан в 1951 г. Такой состав был выбран не случайно. Учитывались его свойства, прежде всего то, что низкая химическая активность свинца и висмута при взаимодействии сплава с воздухом, водой и паром исключает вероятность взрыва и пожара; высокая рабочая температура теплоносителя предотвращает его вскипание на энергонапряженных участках установки; наконец, низкое рабочее давление в контуре повышает надежность и безопасность агрегата, упрощает конструкцию и изготовление оборудования, существенно облегчает условия его эксплуатации.

В начале 1959 г. наши специалисты запустили наземный прототип ЯЭУ (с условным названием "27/ВТ"), а в


* Двигатель Стирлинга - двигатель внешнего сгорания, в котором рабочее тело (гелий или водород) постоянно находится в замкнутом пространстве и изменяет свой объем при нагревании и охлаждении (прим. ред.).

стр. 30


1963 г. ввели в эксплуатацию первую атомную подводную лодку (проект 645) со свинцово-висмутовым теплоносителем. Казалось бы, все технические проблемы были решены, однако первый блин, как всегда, вышел комом: в 1968 г. произошла авария реакторной установки. Причиной явился недостаток знаний о теплоносителе, его отрицательных свойствах. Кроме того, еще не были разработаны способы регулирования и контроля, а также средства очистки как его самого, так и рабочего контура.

Дело в том, что во время первого плавания (моряки говорят "компания") в контуре накопились примеси, в основном оксиды компонентов теплоносителя, которые во время второй "компании" поступили в активную зону реактора. Это привело к резкому ухудшению теплоотвода. Словом, возникла необходимость более глубокого изучения применяемого сплава. И оказалось, сплав свинец-висмут достаточно агрессивен по отношению к конструкционным материалам, т. е. в процессе работы он может загрязняться при взаимодействии с ними, а также с кислородом. Поэтому для длительной безаварийной эксплуатации установок подобного типа необходимо было решить две задачи: во-первых, обеспечить необходимую чистоту как самого теплоносителя, так и внутренних поверхностей оборудования циркуляционного контура; во-вторых, создать коррозионностойкие конструкционные материалы, контактирующие со сплавом.

Для решения последней проблемы использовали метод ингибирования в жидкой металлической среде. В результате продолжительных поисков и проб в качестве вещества, снижающего скорость химической реакции, выбрали кислород, кстати, естественно присутствующий в сплаве. Практика подтвердила правильность этого решения, что в дальнейшем определило направление исследований, состав систем и методы технологии изготовления теплоносителя.

Однако позже мы убедились: большое значение для жизнедеятельности реактора имеет количество кислорода, растворенного в сплаве. Для контроля его концентрации наши сотрудники разработали датчик термодинамической активности (активометр). Создание такого прибора и оснащение им всех экспериментальных, а в дальнейшем и промышленных установок качественно повысило ценность и достоверность исследований. Вместе с тем он помог контролировать все технологические процессы производства теплоносителя.

В дальнейшем особое внимание уделяли чистоте сплава и способам его очистки. Это можно осуществить двумя способами. В одном случае водородным восстановлением металла примесь преобразуют, и полученный продукт возвращают в теплоноситель (так избавляются от оксидов свинца и висмута), во втором - примесь удаляют из контура и собирают в специальные устройства, после чего ее можно либо извлекать и заменять, либо сохранять в течение всего срока службы установки.

Кроме перечисленных выше химических соединений, в теплоносителе находятся взвешенные невосстанавливаемые примеси. Для их удаления разработаны фильтры из специальных тканых материалов, состоящих из стеклянных, металлических или углеродных волокон.

И еще одно условие нормальной эксплуатации установок - поддержание в теплоносителе оптимальной концентрации растворенного кислорода. Ведь особенностью свинцово- висмутовых герметичных контуров является то, что в процессе эксплуатации системы количество этого газа уменьшается за счет выхода в теплоноситель компонентов конструкционных материалов (хром, железо и т. д.), а также элементов, образующихся под действием нейтронов и протонов, обладающих большим, чем у элементов сплава, "родством" с кислородом. Все указанные вещества взаимодействуют с последним, образуя оксиды. В результате при соответствующих температурных режимах процесс массопереноса усиливается и происходит закупоривание холодных участков установки или диссоциация защитных покрытий на конструкционных материалах и горячих местах. Чтобы такого не происходило, специалисты института разработали различные системы и устройства, обеспечивающие подачу в контур газообразного кислорода, смесей водяного пара и водорода, а также растворение твердых оксидов свинца и висмута.

Решения всех перечисленных проблем, зачастую оказавшиеся пионерскими для современной науки и техники, позволили создать атомные подводные субмарины, по скорости превосходящие зарубежные и даже способные "уходить" от противолодочных торпед*.

В последние годы в Физико-энергетическом институте им. Лейпунского развернута перспективная разработка быстрого реактора со свинцовым теплоносителем. Объясняется это тем, что наряду с такими положительными свойствами свинца, как относительно малая химическая активность и высокая температура кипения, он является недефицитным, сравнительно недорогим, с хорошо налаженным производством материалом. Основной же его недостаток - высокая температура плавления (327С), вызывающая ряд сложностей при его применении. В частности, возрастает количество примесей, а также интенсивность физико- химических процессов и массопереноса, что наверняка отрицательно скажется на качестве теплоносителя и его очистке. Наконец, при использовании уже известных конструкционных материалов уменьшится рабочий диапазон температур и существенно возрастут технологические трудности при пуске, эксплуатации и ремонте соответствующих установок.

Однако опыт показал: испытанная на свинце технология позволяет удалять из контура избыточную твердую фазу на основе оксидов свинца; контролировать и регулировать качество теплоносителя; формировать на поверхности сталей защитные оксидные покрытия. Это дает надежду, что реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем будет непременно создан.


* См.: Г. А. Гладков. Четыре поколения атомных субмарин. - Наука в России, 1999,N 3 (прим. ред.).


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ-ТЕПЛОНОСИТЕПИ

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Василий П.Contacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/admin

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕПЛОНОСИТЕПИ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 17.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ-ТЕПЛОНОСИТЕПИ (date of access: 02.08.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Василий П.
Киев, Ukraine
1575 views rating
17.06.2014 (2603 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
«Мы могли бы ШАНТАЖИРОВАТЬ весь мир – и нам бы давали деньги на обслуживание». Тишина!! Занавес!! Украинская дипломатия испустила последний вздох. Думаете все? Ведь уже сказанного с лихвой хватит чтобы поставить под сомнение авторитет США, как мирового лидера. Итак, нардеп выразил уверенность, что встреча Байдена с Зеленским пройдет «на повышенных тонах», дескать Украина имеет на это право по итогам соглашения между США и Германией по СП-2.
Catalog: Разное 
3 days ago · From Naina Kravetz
Как нам без всякой мистики побеседовать с человеческой душой и узнать у нее тайны Мира.
Catalog: Философия 
4 days ago · From Олег Ермаков
ОПЫТ ВЕНГЕРСКИХ РЕФОРМ. К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ ЯНОША КАДАРА
Catalog: История 
4 days ago · From Україна Онлайн
ЗАРУБЕЖНАЯ ИСТОРИОГРАФИЯ ГАБСБУРГСКОЙ МОНАРХИИ. XX - начало XXI века
Catalog: История 
4 days ago · From Україна Онлайн
СОВРЕМЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КРИЗИС В ГРЕЦИИ И ГРЕКО-ГЕРМАНСКИЕ ОТНОШЕНИЯ
Catalog: История 
4 days ago · From Україна Онлайн
ИСТОРИЯ СОВЕТСКО-ВЕНГЕРСКИХ ОТНОШЕНИЙ В 1945-1989 годах
Catalog: История 
4 days ago · From Україна Онлайн
Х. Духхардт. МИР В ЕВРОПЕ РАННЕГО НОВОГО ВРЕМЕНИ. ИЗБРАННЫЕ ТРУДЫ 1979-2011
Catalog: История 
5 days ago · From Україна Онлайн
Превращаясь в пыль, литий неизбежно поднимается в воздух и отравляет все живое вокруг. Самое меньшее, чем грозит литиевая пыль – это слепота. Погибает рыба, питьевая вода становится непригодной для употребления. Кроме того вода является главным ресурсом для добычи лития. Ее катастрофические сокращение отмечают местные жители всех разрабатываемых месторождений.
Catalog: Экология 
6 days ago · From Naina Kravetz
БОЛГАРСКИЕ СЛУШАТЕЛИ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОФИЦЕРСКОГО КЛАССА (1901-1914 годы)
Catalog: История 
6 days ago · From Україна Онлайн
ДИНАСТИЧЕСКАЯ ДИПЛОМАТИЯ В РОССИЙСКО-ФРАНЦУЗСКИХ ОТНОШЕНИЯХ 1856-1870 годов
Catalog: Право 
6 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕПЛОНОСИТЕПИ
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones