Специфика характеристик газообразных веществ вызывает противоречия при оценке их как теплоносителей ЯЭУ. Первое, что привлекает к ним внимание — весьма хорошие ядерно-физические свойства. Незначительные сечения захвата тепловых нейтронов, дают возможность использовать в необогащенный уран. Простые одноатомные газы (кроме азота и аргона) в активной зоне реактора не разлагаются и не активируются. Разложение и активация сложных многоатомных газов также незначительны. Физико-химические свойства газообразных веществ вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к теплоносителям, так как они не обладают химической активностью и коррозионноинертны. По теплофизическим свойствам большинство газообразных веществ (кроме гелия и водорода) являются плохими теплоносителями. Теплоемкость, плотность и теплопроводность их очень малы. В соответствии с этим для отвода тепла необходимо прокачивать весьма большие объемы теплоносителя. Плохие теплопередающие свойства затрудняют получение высоких температур на выходе из реактора из-за больших перепадов температуры между стенкой твэла и газом. Эта же причина вызывает необходимость обеспечения больших поверхностей теплообмена в реакторе и ПГ. Большие объемные расходы теплоносителя, значительные гидравлические сопротивления поверхностей теплообмена и газопроводов приводят к чрезмерным затратам энергии на перекачку теплоносителя.
Воздух и азот.
Эти теплоносители по эффективности теплообмена примерно одинаковы, но они существенно активируются в реакторе с образованием радиоактивных нуклидов (аргона и азота).
Водород мог бы быть лучшим теплоносителем в отношении теплопередающих свойств. При малой плотности он имеет весьма большую объемную теплоемкость и самый большой для газов коэффициент теплопроводности. Однако его химическая активность (образование взрывоопасных соединений) не дает возможности рассматривать его практическое применение.
Гелий — инертный газ, по своим теплопередающим свойствам он несущественно уступает водороду. Теплопроводность гелия на порядок выше теплопроводности других (кроме водорода) газов. В силу этого гелий при прочих равных условиях может воспринять большое количество тепла за счет увеличения разности температур на входе в поверхность теплообмена и выходе из нее. При одной из той же тепловой мощности площадь поверхности теплообмена, омываемой гелием, примерно на 30 % меньше, чем при использовании диоксида углерода. Гелий — самый перспективный теплоноситель для высокотемпературных ЯЭУ, позволяющих получить высокие, сверхвысокие и закритические параметры. В настоящее время гелий рассматривается также как альтернативный по отношению к натрию теплоноситель для реакторов на быстрых нейтронах. Однако это потребует освоения весьма высоких давлений и в первом контуре. Из недостатков гелия следует иметь в виду его малую объемную теплоемкость. Поэтому для переноса больших количеств тепла нужно предусматривать большие, чем даже в случае применения диоксида углерода, температурные перепады на входе в поверхность теплообмена и выходе из нее. При практическом использовании гелия нужно иметь в виду его высокую стоимость и такое свойство, как текучесть (способность проходить через очень малые неплотности).
Диоксид углерода (С02).
Диоксид углерода (С02) по теплопроводности и интенсивности теплообмена существенно уступает гелию. Однако по затратам на перекачку (при одной и той же мощности реактора) он несколько лучше. Кроме того, СОг существенно доступнее. Этот газ сравнительно широко применялся в качестве теплоносителя в ядерной энергетике в первое десятилетие ее развития. В более поздний период ввод АЭС с реакторами, охлаждаемыми С02, не осуществлялся. Одна из причин — трудность предотвращения попадания теплоносителя в воду или наоборот. Это обусловлено очень большими размерами поверхностей нагрева, а следовательно, большим числом сварных соединений и др.
Если давление в реакторе выше давления в ПГ, то через возможные неплотности СОг попадает в воду. В результате образования Н2С03 начнется интенсивная коррозия материалов контура ПГ. При более высоком давлении в ПГ вода может попасть в реакторный контур, что вызовет интенсивную коррозию его материалов даже при весьма малых протечках.
Теплопередающие способности газовых теплоносителей существенно улучшаются при повышении давления: с повышением давления повышается плотность и почти пропорционально снижаются затраты на перекачку. Если затраты на перекачку сохранить такими же, как и при низких давлениях, то можно повысить интенсивность теплообмена за счет повышения массовой скорости. При использовании газового теплоносителя выбор давления — сложный технико-экономический вопрос. Повышение давления приводит к снижению затрат на перекачку, уменьшению поверхности теплообмена, повышению температуры газа на выходе из реактора. Но одновременно увеличиваются капитальные затраты на все элементы, работающие под давлением. Для каждого конкретного случая должен быть найден оптимальный вариант.