Теплоносители ядерных реакторов. Коррозионная стойкость.

Требования к теплоносителям I-го контура:

1. Ядерные свойства: малое сечение поглощения нейтронов, малая активируемость.

2. Теплофизические свойства: высокая теплопроводность, низкое давление насыщенного пара (высокая температура кипения), малая вязкость.

3. Низкая коррозионная и эрозионная активность по отношению к конструкционным материалам.

4. Термостойкость и радиационная стойкость (стабильность при высоких температурах и уровнях облучения).

5. Распространённость в природе и низкая себестоимость.

Виды теплоносителей:

1. Газы: CO₂, He, воздух, N₂, H₂. Преимущества: экономичные, не требуют парогенераторов (только теплообменники), реакторы с газовыми теплоносителями наиболее безопасны, небольшой захват нейтронов, благодаря чему можно использовать необогащённый уран. Недостатки: малая плотность, теплопроводность, теплоёмкость, из-за чего до 20% энергии, вырабатываемой реактором уходит на прокачку теплоносителя (для воды – 56%), дополнительные затраты на герметизацию.

   1. He – сам по себе не взаимодействует ни с конструкционными материалами, но обычно содержит примеси, которые и реагируют с конструкционными материалами. Теплопроводность гелия в 10 раз больше теплопроводности воздуха и в 6 раз больше теплопроводности углекислого газа. Он очень текучий, и поэтому требует больших затрат на герметизацию.

   2. H₂: взрывоопасен, текуч, образует гидриды с конструкционными материалами.

   3. Воздух: его плотность на порядок больше плотности гелия, корродирует конструкционные материалы (кислород).

   4. CO₂: один из лучших газовых теплоносителей – обладает удовлетворительными теплофизическими и другими свойствами. Диссоциирует: 2CO₂2CO+O₂ при высоких температурах, CO₂+C2CO при рабочих.

2. Вода: обладает хорошими тепловыми свойствами, теплопроводностью и теплоёмкостью. Имеет низкую температуру кипения. Под действием облучения образуются ионы OH^– и H⁺, с которыми взаимодействуют примеси.

3. Органические теплоносители: дифенил (С₆H₅–C₆H₅ (два бензольных кольца)) и терфенил (C₆H₅–C₆H₄–C₆H₅). Эти теплоносителя практически не активируются, у них высокая температура кипения, они почти не взаимодействуют с конструкционными материалами. Но: они разлагаются при облучении и высоких температурах, что может привести даже к закупорке I-го контура.

4. Жидкие металлы: Na, K, Pb-Bi, Li, Hg, Ga, Sn. Некоторые их особенности:

1. Li: огромный интервал жидкого состояния: 1802000С, кроме того, он легче воды, но использовать его удобно лишь в быстрых реакторах.

2. Na: низкая коррозионная активность, хорошие ядерные свойства, низкая вязкость, легче воды, распространён в земной коре.

3. Ga: температура плавления – 30С. Очень дорог.

4. K с Na образуют эвтектику с хорошими свойствами.

Коррозия, вызванная теплоносителем:

Продукты коррозии (обычно гидроокиси) – это рыхлая плёнка на поверхности материалов, нарастающая вплоть до прорыва стенок. Они часто располагаются на подвижных частях оборудования, что может привести к их заклиниванию. Продукты коррозии активируются и разносятся теплоносителем.

Коррозия в газовых теплоносителях:

Зависимость толщины плёнки от времени: ( – время). Чтобы плёнка не растрескивалась, требуется, чтобы удельный объём плёнки был больше удельного металла.

Параболический закон роста: , кубический: , логарифмический: .

В жидкометаллическом теплоносителе протекает процесс термического переноса массы.

Н а графике: c – растворимость некоторого элемента в жидком теплоносителе, t – температура теплоносителя.

При температуре некоторые элементы, содержащиеся в конструкционных материалах, растворяются в теплоносителе с концентрацией . Потом, когда теплоноситель проходит через теплообменник, его температура падает до . Предельная концентрация растворённого элемента падает до . Лишний элемент осаждается на конструкционных материалах теплообменника.

Наблюдается также изотермический перенос массы, когда элемент растворяется в теплоносителе из-за неоднородностей поверхности труб.

Для борьбы с такими переносами используются горячие и холодные ловушки. Холодные ловушки –это тонкие отростки трубы, идущие параллельно главной трубе, но в которых поддерживается относительно низкая температура. В них и происходит осаждение растворённых элементов. Горячая ловушка работает аналогично, но вместо низкой температуры в ней применяются особые захватывающие примеси и материалы.

Аустенитные хромоникелевые стали

Российские стали

Материал	C, %	Cr, %	Ni, %	Ti, %	Nb, %	Mo, %	B, %
0Х18Н10	<0.08	15	10
0Х18Н10Т	0.030.06	15	10	0.5
0Х16Н15М3Т	<0.06	16	15		0.65	3.0
0Х16Н15М3БР					0.75	2.7	0.007