ВМФ/ВМС
17,942,379 45,708
 

  Внимательный ( Слушатель )
06 июн 2020 12:55:03

Жидкий металл вместо воды в реакторе?

новая дискуссия Статья  752





Перспектива использовать жидкий металл в качестве теплоносителя для транспортного реактора основана на желании увеличить параметры рабочего тела, т. е. водяного пара, и организовать его перегрев. Жидкий металл можно нагреть в активной зоне до высокой температуры при низком давлении. (Воду в принципе невозможно нагреть выше 370 С без испарения, а в условиях реальной энергетической установки- гораздо ниже.) Стенки оборудования первого контура можно сделать тонкими, а сам реактор с ЖМТ – компактным, что облегчит и упростит конструкцию.

Очевидной главной трудностью становится низкая удельная теплоемкость металлов по сравнению с водой. Чем она больше, тем менее затратно транспортировать тепло от ядерных процессов к пару в турбине. Она несколько меняется в зависимости от температуры, но для сравнения это неважно: возьмем ПРИМЕРНЫЕ значения в интересующем диапазоне (всё в КДж/кг К). У воды 4,2; у чемпиона среди металлов – натрия 1,3; у его «двойника» - калия 0,78; а, например, традиционно ассоциирующейся со словами «жидкий металл» ртути 0,14. Т.е. ртуть совсем не годится в качестве теплоносителя.
С технологической точки зрения очевидно, что металл должен быть легкоплавким, а лучше оставаться жидким при комнатной температуре. И здесь побеждает натрий в эвтектическом сплаве с калием – 22,8 % Na и 77,2% K. Такой сплав жидкий и при -12 С, но его теплоемкость сразу падает до 0,94. Чтобы ее поднять, долю натрия надо увеличивать, и даже при 60 %Na на 40% К теплоноситель при 20 градусах С не застывает. Температура плавления чистого натрия 97,81 С, что многовато, при остановленном реакторе он затвердеет. Для технического обслуживания придется предусматривать подогрев, а это затратно и сложно.
Менее очевидна проблема в том, что натрий и калий химически агрессивны, легко горят и вступают взаимодействие со конструкционной сталью, к тому же поведение этих металлов при воздействии радиации было малоизученным. Но сплав этих двух металлов настолько попадает в десятку для означенных целей, что мимо инженерная мысль пройти не могла. Такой теплоноситель сегодня используется, например, в реакторах космических аппаратов, где ему трудно найти альтернативу.
Не загружая более читателя цифрами, кратко расскажу о работах в США с конца сороковых годов над созданием реактора с ЖМТ для атомной субмарины. За дело взялись инженеры «Дженерал электрик» в 1946 году, а проработки компоновки корабля проводила научно-исследовательская лаборатория ВМС США. Когда прогресс вступает на неизведанную территорию, для креативных технических деятелей наступает блаженное время поиска самых диких и неординарных решений. В денном случае всерьез прорисовывался вариант, где реактор вообще находится вне обитаемого прочного корпуса. Можно биозащиту не делать, и весогабаритные характеристики хорошие!
Все же традиционный вариант победил, но пока дошло до наземного прототипа установки, прошло 9 лет!!! напряженных исследований. В 1955 году начал строиться береговой стенд «Марк-А» для получившего индекс S2G реактора 50 МВт мощности, который потом будет установлен на субмарину «Сивулф». Теплоносителем был Na, замедлителем – шестигранные графитовые блоки, тепловыделяющие элементы- металлические стержни из сплава высокообогащенного 90% урана и циркония, регулирующие стержни – из гафния. Температура на входе в активную зону 315 С при 480 С на выходе при давлении всего в 5 Атм. Хоть КПД поднялся до недостижимых для водо-водяных реакторов 22%, такой перепад температур создавал большие термические напряжения, долгое время не получалось добиться приемлемого ресурса.
Конструкция парогенераторов получилась и вовсе причудливой. Чтобы исключить попадание воды или пара в реактор ввели второй промежуточный контур с теплоносителем Na-К. Причем у первого и второго контура для циркуляции были электромагнитные индукционные насосы. Теплообменники для компактности имели форму из двух соединенных последовательно корпусов
в виде буквы U. Все три контура текли в каждом корпусе, второй создавал прослойкой между первым контуром с натрием и третьим с водой, идущих противотоком. В дальнем от реактора корпусе вода испарялась, а в ближнем пар перегревался до 430 С (очень высокий показатель) и шел на турбогенератор.
Стенд полностью моделировал реакторный отсек. Все основное оборудование размешалось на нижней палубе. Биозащита представляла не бак ЖВЗ, а композитные экраны из свинца и полиэтилена и прослойками воды, которые ограничивали реакторное отделение со всех сторон. Но уровень радиации за защитой был такой высокий, что находиться человеку там было нельзя. Даже после глушения реактора проходило не меньше двух недель, и только потом сотрудники в специальных костюмах получали туда доступ.
Скажем о еще двух интересных особенностях:
- для безопасности весь этот макет отсека заключили вовнутрь огромной сферической оболочки из дюймовой стали на случай взрыва и пожара натрия, настолько инженерам казалось опасным их детище;
- прагматичный «Дженерал Электрик» решил энергию турбогенератора со стенда продавать в сеть, и за два года экспериментов продали почти 800 тыс. кВт ч.
Главной нерешаемой как следует проблемой стала натриевая коррозия трубок теплообменников и бесконечные протечки. Оказалось, что натрий активно разъедает нержавеющую сталь, особенно в пароперегревателе, где его температура выше. От перегрева пришлось в конце концов отказаться, и с 56-го года до апреля 57-го стендовый реактор работал на 40% мощности.
На ПЛА «Сивулф», которая была спущена на воду в июле 1955 года реактор S2G установили в 1956-ом. Но уже на швартовых испытаниях, как и на стенде, пароперегреватели потекли, и починить их не получилось. Пришлось эти секции глушить, а мощность установки и параметры пара снижать, но все же с января 1957 года по декабрь 1958 -го лодка ходила с ЖМТ установкой. Эксплуатация в целом была успешной, хоть и не без поломок и отказов. Подлодка прошла 72 тысячи миль, но «отец атомного флота» адмирал Риковер приказал натриевое чудовище заменить обычным водо-водяным реактором, как на первом «Наутилусе». Это и было сделано на верфях «Электрик Боат» в Гротоне. А изъятого жидкометаллического первенца погрузили на баржу, оттащили в Атлантический океан, и утопили в глубоком месте.
Подводя итог всей затее, Риковер высказался, что авария на таком реакторе равносильна потере лодки, и что никогда на кораблях ВМС США никакого натрия не будет. После того, как слова адмирала повторило Министерство обороны, наземный стенд тоже разобрали. Надо отметить, что без перегрева пара и при выявленной аномальной химической активности теплоносителя у установки с ЖМТ не получилось выигрыша перед ВВР. Более сложная конструкция биозащиты съела преимущество в весе и размере реактора. И это при значительной вероятности аварии с катастрофическими последствиями.
Так было у супостатов, а что у нас в нерушимом Союзе? Имея в виду американский опыт и собственные исследования, занимающаяся темой Лаборатория «В» (которая чуть позже стала именоваться Физико-энергетическим институтом) под управлением академика А.И. Лейпунского строит в 1958 году наземный стенд- прототип ЯЭУ с теплоносителем в виде более безопасного, чем натрий эвтектического сплава свинец-висмут. Рассматривался еще и литий, но был отставлен в сторону в силу меньшей изученности. В том же году за проектирование уже реальной установки берется горьковский ОКБ-92 (ОКБМ), и к 1959 году готовы шесть вариантов эскизных компоновок.
Следующим шагом стало создание в начале 60-го года проекта ОК-400 однореакторной компактной установки с ЖМТ для скоростной подводной лодки. Эта работа была больше исследовательской, а вот выполненный к декабрю 61-го года проект ОК -550 уже был предназначен для конкретного уникального титанового корабля 705-го проекта «Лира». Он дорабатывался еще несколько лет, а первая из непревзойденных субмарин «Лира» (или «Альфа» на американский лад)
вступила в строй в 71 году. Хотя она прослужила недолго, но шесть ее систершипов эксплуатировались продолжительное время, изумляя весь мир своими ТТХ.
Расчеты и эксперименты показали, что преимущество в компактности и удельной мощности у установки с ЖМТ есть только при относительно малой мощности. Для больших кораблей предпочтительнее водо-водяные ППУ. Конструкция парогенераторов также представляла собой двойную U как у американцев, в силу объективных физических особенностей задачи. Свинцовый сплав не агрессивен к стали, но был гораздо более тугоплавким, что создавало значительные трудности. Еще в нем накапливались окислы и радиоактивный Полоний 219. В итоге минусы в целом перевесили, так что тема и у нас не имеет пока продолжения, но достигнутыми в СССР успехами невозможно не удивляться.


https://zen.yandex.r…mpaign=dbr
  • +0.06 / 3
  • АУ
ОТВЕТЫ (40)
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
06 июн 2020 22:20:48

Натрий на ПЛ? Чет, не нравится мне эта идея...
  • +0.08 / 4
  • АУ
 
 
  сапёрный танк ( Профессионал )
06 июн 2020 23:11:57

.......Ну так у нас на "Лирах" висмут-свинец был. И в "Росатоме" тему "БРЕСТ" двигают к реальному реактору. А могли остановиться не БНах.
  • +0.25 / 11
  • АУ
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 00:04:50

Причем, и на пр. 645,  на пр.705 свинец-висмут с треском провалился. А вот реакторы с натриевым теплоносителем на белоярской АЭС работают вполне успешно.
  • -0.36 / 6
  • АУ
 
 
 
 
  Kingle ( Слушатель )
07 июн 2020 00:30:00

Что хорошо на суше, то может быть категорически неприемлемо в подплаве, у них своя "атмосфера праздника".
  • +0.06 / 2
  • АУ
 
 
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 00:38:41

Для этого нужна серьезная НИОКР с привлечением соответствующих ЦНИИ. Понятно, что флот от новых типов будет отпихиваться всеми конечностями.
  • +0.00 / 0
  • АУ
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 00:40:23

Прямо таки с треском?
Из 7 лодок проекта Лира только первая (по сути опытная) была списана по аварии реактора. При этом известные обстоятельства аварии неоднозначны. Остальные лодки вывели в 90-х. 
  • +0.41 / 9
  • АУ
 
 
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 00:48:14

Именно с треском. Оригинальный проект 705 не удался совсем, а доработанный 705К страдал целой кучей болячек, и не мог обеспечить требуемый коэффициент оперативного напряжения.
  • -0.06 / 2
  • АУ
 
 
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 02:12:07

Так провалился "висмут" или проект в целом? Определитесь.
Часто говорят о большом количестве технических неисправностей на лодках данного проекта и приписывают это энергоустановке с металлическим теплоносителем. При этом забывают что лодка была в целом инновационной. Новая силовая, высокая автоматизация, принципиально новая БИУС, новая концепция экипажа... Новой лодка была не только для экипажа, но и для береговых служб. И для командования... 
Можно говорить, что лодка имела критическое количество инновационных решений, применённых на одном проекте одновременно, но обвинять во всём "висмут" несколько опрометчиво, пожалуй.

После 1986-го. Когда система обеспечения начала разваливаться и техника практически не обслуживалась планово. Даже топливо своевременно не перезагружалось. Так-то они были лидерами по этой части. Особенно если вспомнить, что реакторы на них де факто никогда не глушились (даже у пирса), а на режим они выходили емнип за минуту. Да и с экипажами к концу 80х была уже напряжёнка...

В то же время на этих "высокоаварийных" лодках за почти 20 лет службы серии не погиб ни один подводник. При двух крупных авариях. Многие проекты могут таким похвастать?

Лиры убила перестройка.
  • +0.85 / 27
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 02:16:31

За добрую четверть века эти лодки так и остались дорогой игрушкой, которую выкинуть жалко, а к делу пристроить не выходитю

В то время как лодки с традиционными водо-водяными реакторами не требовали этих танцев мадридского двора.

Этим же могут похвастать лодки пр.671, которые вытянули на себе всю тяжесть холодной войны.
  • -0.01 / 5
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 02:19:40

Ой. А парусно-вёсельные ботики только смоли, конопать да паруса штопай. Переводим СЯС на деревянные корпуса, паруса и вёсла?

В то время мы не только Лиру проперестроили. Много чего годного на слом пошло.
  • +0.36 / 8
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 02:22:40

Есть принцип разумной достаточности. На нынешнем этапе этому принципу полностью соответствуют водо-водяные реакторы. Натриевые - требуют дополнительного исследования.
  • -0.05 / 2
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 02:25:59

Так этим с 70-х и занимаемся.
  • +0.03 / 1
  • АУ
 
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
07 июн 2020 01:58:08

В отличие от висмут-свинца, натрий бурно (очень) реагирует с водой, коей в подплаве много по определению. 

Ламерская демонстрация, примерно полкило натрия:
  • +0.05 / 3
  • АУ
 
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 02:01:57

Если посторонняя вода попадает в первый контур теплоносителя реактора, то дело швах по умолчанию, будь там хоть натрий, хоть что угодно другое.
  • +0.11 / 6
  • АУ
 
 
 
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
07 июн 2020 02:03:23

А дело даже не в наружной воде. На корабле внутри влаги хватает
  • +0.03 / 2
  • АУ
 
 
 
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 02:07:34

Да любая влага, хоть изнутри, хоть снаружи, говорит о том, что первый контур разгерметизировался. 
  • +0.06 / 3
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
07 июн 2020 02:14:27

Да лан ))) Влага на корабле/подлодке, даже на полностью исправном, есть всегда. Только для взрыва водорода от висмута-свинца трэба разгерметизировать рабочий контур в котором гоняется расплав. А натрий реагирует  даже в твердом виде при нулевой температуре.   
  • +0.25 / 2
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 02:18:37

Опять же, твердый натрий в первом контуре говорит о том, что кто-то запорол реактор подлодки, и он ребует долгосрочного ремонта. В мирное время это НСС, в военное расстрел.
  • +0.02 / 3
  • АУ
 
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 02:16:37

Я просто напомню, что вторая авария (К-123) это утечка теплоносителя первого контура "Вижу серебристый металл, растекающийся по палубе"... Там пожара-то не случилось только потому, что во всех отсеках, кроме центрального, в тот момент не было кислорода в воздухе. 
  • +0.03 / 1
  • АУ
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 02:24:59

Может в сплаве с чем нейтрализуют? Так-то, пожалуй, любой разогретый теплоноситель (мы про металлы) с водой будет примерно также реагировать.
  • +0.00 / 0
  • АУ
 
 
 
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
07 июн 2020 02:40:44

Так в том то и дело, что натрий и греть не надо, чтобы он начал реагировать с водой (с выделением водорода, замечу). Т.е., он опасен даже при загрузке в установку. Холодный свинцово-висмутовый порошок в воде просто медленно окисляется, покрывась оксидной пленкой.  
  • +0.04 / 3
  • АУ
 
 
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 02:50:45

А есть данные по его деградации? (На лирах-то теплоноситель меняли). Может у них одна заправка теплоносителем на весь срок службы?
  • +0.02 / 1
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
07 июн 2020 02:53:57

Деградация металлического натрия? Его в природе не встречается вообще. Живет только в лаборатории под слоем кяросина, столетиями. У нас аспирантуре стояла такая банка, дата коричневой тушью (сепия, то бишь) "1875" Подмигивающий 
  • +0.06 / 4
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 02:56:00

Деградация сплава в контуре реактора. Температура. Излучение. Контакт с арматурой.
  • +0.05 / 2
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
07 июн 2020 02:59:55

Ах, это. Тут ничего сказать не могу - не компенгаген
  • +0.01 / 1
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 03:02:46

В том и сложность, что радиация окисляет даже то, что вроде бы окисляться не должно.
  • +0.03 / 1
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
07 июн 2020 03:22:22

Пока "ваша" радиация окислит, в общем-то, инертный свинец до состояния невменяемости, "необлученный" натрий натворит дел чисто на конденсате. Что вы уперлись-то? Вам же было сказано - что работает на суше, может быть непригодным в море. 
  • +0.06 / 4
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Flugkater ( Слушатель )
07 июн 2020 03:35:08

"Моя" радиация, как показал реальный опыт, загаживала теоретически нейтральный свинец хуже, чем голуби памятник. Так шта, думать надо куда-то в другую сторону.
  • +0.00 / 2
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
07 июн 2020 04:04:17

Да что же вы за тормоз-то такой Улыбающийся Следите за руками, я ими буду ими медленно показывать, чтобы вы не пропустили главное: пока. свинец. меняется. под. воздействием. радиации, натрий. изначально. химически. активен. в. присутствии. воды. 
  • +0.13 / 8
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 04:45:08

И хрен на него. Если весь срок эксплуатации можно отходить на одной заправке (мы сейчас о теплоносителе), то реактор можно \попытаться\ сделать необслуживаемым. Если лодка получила такие повреждения, что (забортная) вода попала в первый контур необслуживаемого реактора, то пиротехнические эффекты натрия в воде уже ни на что не влияют.
  • +0.15 / 6
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  GeorgV ( Слушатель )
07 июн 2020 06:37:22

Да вот не вытанцовывается с хреном натрия на подлодках пока. Думаю, не последняя роль в этом высокая хим. активность мет. натрия. 
  • +0.31 / 6
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Senya ( Практикант )
07 июн 2020 08:11:10

В атомной ветке было много с фотками. Насколько помню, если натрий создаёт повышенный риск при авариях, свинец забивает трубы осадком и выводит реактор из строя без всяких аварий, просто по природе своей. И вылечить это не удалось. Говорить о его каких-то преимуществах перед натрием не приходится. Так что вопрос ставится по другому - делать сейчас лодки с металлическим теплоносителем или нет.
  • +0.28 / 17
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Ilya Kaiten ( Слушатель )
07 июн 2020 08:44:11

"Мелкие" лодки - будут. (имхо)
Не сейчас, так завтра. 
  • +0.14 / 3
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Luddit ( Слушатель )
07 июн 2020 10:48:52

В энергетической ветке кстати свинец как теплоноситель обсасывали, в том числе перспективы реакторов на изотопно-чистом свинце с регулирующими элементами вне активной зоны. Всплыл вопрос где его столько взять, вариант облучения массового свинца в реакторах показал недостаточную производительность даже в случае если все реакторы будут со свинцом. 
Так что насчет изменения свинца под облучением я бы сильно не переживал.
Там одна из основных неприятностей - быстрое растворение стали в свинце как только содержание кислорода уйдёт от оптимального значения.
  • +0.50 / 10
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  mse ( Специалист )
07 июн 2020 11:00:49

Наша страна, лидер в изотопном разделении материалов. На центрифугах и будут разделять. В своё время там-же и обсуждалась эта тема, озвученная кем-то из разработчиков центрифуг.
  • +0.19 / 6
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Senya ( Практикант )
07 июн 2020 11:08:54

Не-не. Поделить - не проблема. Вопрос, у кого отобрать. Вспомнил, я сам что-то там считал, получилось максимум один новый энергоблок в несколько лет, даже если всё бросить на выработку нужного изотопа.
  • +0.12 / 5
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  mse ( Специалист )
07 июн 2020 11:25:42

Тут такое... Речь должна идти о 204 изотопе. Его в природе 1,4%, т.е. в два раза больше, чем 235. Правда, от 206 отделяет всего 2 нейтрона, вместо 3 для 238. А количество, это вопрос конструкции и производительности центрифуг какого-нить 11-12 поколения.
  • +0.10 / 3
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  rommel.lst ( Практикант )
07 июн 2020 14:25:00

Чтоб что-то разделять на центрифугах, нуна сначала это что-то газифицировать. Для урана все оказалось достаточно доступно - переводим его в гексафторид и качаем в центрифуги. А для других металлов все совсем не так весело...
  • +0.25 / 3
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  mse ( Специалист )
07 июн 2020 14:37:20

В том интервью, товарищ сам завёл речь о свинце, цирконии и каких-то составляющих спецсталей. Значит, не всё так грустно.
  • +0.05 / 3
  • АУ
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  сапёрный танк ( Профессионал )
07 июн 2020 12:02:30

.........Но только не в сторону натрия, ежели мы говорим даже не о лодочных, а вообще о корабельных реакторах.
  • +0.22 / 9
  • АУ