Теплоноситель в ядерном реакторе — жидкое или газообразное вещество, пропускаемое через активную зону реактора и выносящее из неё тепло, выделяющееся в результате реакции деления ядер .

Общие сведения

В двухконтурных энергетических реакторах (например, ВВЭР ) теплоноситель из реактора поступает в парогенератор , в котором вырабатывается пар, приводящий в действие турбины , а в одноконтурных реакторах (например, РБМК ) сам теплоноситель (пароводяной или газовый) может служить рабочим телом турбинного цикла. В исследовательских (например, материаловедческих) и специальных реакторах (например, в реакторах для накопления радиоактивных изотопов) теплоноситель только охлаждает реактор, полученное тепло не используется.

К теплоносителям предъявляют следующие требования:

• Слабое поглощение нейтронов (в тепловых реакторах ) либо слабое замедление их (в быстрых реакторах );
• Химическая стойкость в условиях интенсивного радиационного облучения;
• Низкая коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам, с которыми теплоноситель находится в контакте;
• Высокий коэффициент теплопередачи ;
• Большая удельная теплоёмкость ;
• Низкое рабочее давление при высоких температурах.

В реакторах на тепловых нейтронах в качестве теплоносителя используют воду (обычную и тяжёлую ), водяной пар , органические жидкости, двуокись углерода ; в реакторах на быстрых нейтронах — жидкие металлы (преимущественно натрий ), а также газы (например, водяной пар, гелий ). Часто теплоносителем служит жидкость, являющаяся одновременно и замедлителем .

Особенности применения

Лёгкая вода

Один из самых распространённых теплоносителей — вода . Природная вода содержит небольшое количество тяжёлой воды (0,017%), различных примесей и растворённых газов . Присутствие примесей и газов делает воду химически активной с металлами . Поэтому воду, прежде чем использовать её как теплоноситель, очищают от примесей методом дистилляции и деаэрируют , то есть удаляют из воды газы.

В первом контуре циркулирует радиоактивная вода. Основной источник радиоактивности воды — это примеси, появление которых в воде связано с коррозией узлов первого контура и технологическими загрязнениями делящимися веществами внешней поверхности ТВЭЛов . Концентрацию радиоактивных примесей в воде снижают фильтрованием . Под действием нейтронов на ядрах кислорода идут реакции ¹⁸ O(n, γ) ¹⁹ O; ¹⁶ O(n, p) ¹⁶ N, в которых образуются радиоактивные ядра ¹⁹ O (T _½ =29,4 с) и ¹⁶ N (T _½ =4 с). Однако активность ¹⁹ O и ¹⁶ N мала по сравнению с активностью примесей.

Недостатками воды как теплоносителя являются низкая температура кипения (100 °C при давлении 1 атм) и поглощение . Первый недостаток устраняется повышением давления в первом контуре. Поглощение тепловых нейтронов водой компенсируют применением ядерного топлива на основе обогащённого урана .

См. также :

• Легководный реактор
• Водо-водяной реактор
• Графито-водный реактор
• ВВЭР

Тяжёлая вода

Тяжёлая вода по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжеловодным замедлителем. Однако тяжёлая вода пока мало применяется в реакторостроении ввиду её высокой стоимости.

См. также :

• Тяжеловодный ядерный реактор
• CANDU

Жидкие металлы

Из жидкометаллических теплоносителей наиболее освоен натрий . Он химически активен с большинством металлов при сравнительно низкой температуре, эта активность натрия обусловливается примесью окислов натрия. Поэтому натрий тщательно очищают от окислов, после чего он не реагирует со многими металлами ( Mo , Zr , нержавеющая сталь и др.) до 600—900 °C.

См. также :

• Реактор с жидкометаллическим теплоносителем
• Реактор на быстрых нейтронах

Органические жидкости

Из числа опробованных органических жидкостей наиболее стабильными в условиях повышенных температур и радиоактивного облучения оказались некоторые из полифенилов, в том числе дифенил и трифенил . Однако, несмотря на преимущества, такие теплоносители оказались слишком нестойкими к нейтронному облучению, поэтому промышленно такие реакторы не применялись.

См. также :

• Реактор с органическим теплоносителем

Газ

Основной газовый теплоноситель — углекислый газ . Он недорог, характеризуется повышенными по сравнению с другими газами плотностью и объёмной теплоёмкостью . Коррозионное воздействие углекислого газа на металлы зависит от содержания кислорода. Он присутствует в углекислом газе как примесь и, кроме того, образуется при высоких температурах в процессе диссоциации молекул CO ₂ на окись углерода CO и кислород O ₂ .

См. также :

• Графито-газовый реактор
• ГТ-МГР

Литература

• Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. — М. : Атомиздат , 1960.
• Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. — 4-е изд. — М. : Атомиздат , 1979.
• Теплоноситель ядерного реактора — статья из Большой советской энциклопедии