Основы теории атомных реакторов и их классификация

Ключевые слова: химический реактор, огнеупорный материал. Keywords: chemical reactor, refractory material.

Химические реакторы по своему значению занимают центральное место в технологической схеме производства любого химического продукта. И в ходе химических реакций, протекающих в реакторе, получаются высокие температуры, из-за которых происходит коррозия стенок химического реактора, которая в свою очередь сокращает его эксплуатационный срок. Это серьёзная проблема и её решением является применение огнеупорных материалов, которые изготавливаются на основе минерального сырья и отличаются способностью сохранять, без существенных нарушений, свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах. Они применяются для проведения металлургических процессов таких как - плавка, отжиг, обжиг, испарение и дистилляция. Также огнеупоры используются для конструирования печей, высокотемпературных агрегатов (реакторы, двигатели).

Огнеупорные материалы отличаются повышенной прочностью при высоких температурах и химической инертностью. По составу огнеупорные материалы - это керамические смеси тугоплавких оксидов, силикатов, карбидов, нитридов, боридов. В качестве огнеупорного материала применяется углерод (кокс, графит). В основном это неметаллические материалы, обладающие огнеупорностью не ниже 1580 0С. Большинство огнеупорных изделий выпускают в виде простых изделий типа прямоугольного параллелепипеда массой в несколько килограмм. Так как это универсальная форма для выполнения футеровки различной конфигурации. Огнеупоры применяются практически везде, где требуется ведение какого - либо процесса при высоких температурах, в том числе и в химических реакторах. Как было сказано выше, высокие температуры порождают коррозию стенок химического реактора, что значительно сокращает его срок службы [1].

Существует несколько видов коррозии, по механизму протекания процесса -это химическая т.е. вид коррозионного разрушения, связанный с взаимодействием металла и коррозионной среды, при котором одновременно окисляется металл и происходит восстановление коррозионной среды. Электрохимическая - процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекает не одновременно с ионизацией атомов металла, и их скорости зависят от электродного потенциала металла.

И по виду коррозионной среды и условиям протекания различают также газовую коррозию - а именно коррозионное разрушение металла под воздействием газов при высоких температурах [2].

Для продления срока службы химического реактора необходимо снижение интенсивности воздействия высокотемпературной коррозии. Поэтому, чтобы снизить её скорость обычно увеличивают интенсивность охлаждения в наиболее опасных и подверженных коррозионному воздействию местах. Самым неблагоприятным участком, наиболее подверженным интенсивной высокотемпературной коррозии, является зона высоких температур или критическая зона. Следовательно, снижение температуры ог-неупора в этой зоне, осуществляемое различными методами, способствует уменьшению скорости высокотемпературной коррозии и может существенно продлевать кампанию химического реактора.

Известно несколько методов снижения температуры огнеупора в критической зоне:

1. Наиболее распространённым является воздушное охлаждение наружной поверхности. Суть данного метода заключается в подаче охлаждённого воздуха к зоне наиболее подверженной действию высокотемпературной коррозии.

2. Также известен испарительный способ охлаждения поверхности стен химического реактора. Суть данного метода заключается в подаче жидкого теплоносителя к зоне наиболее подверженной действию высокотемпературной коррозии [3]. Химические реакторы представляют собой теплотехнические установки, рабочая температура внутри которых достигает 2000 0С. Стены зоны реакций подвергаются износу из-за интенсивно протекающих процессов высокотемпературной коррозии. Поэтому снижение интенсивности коррозионных процессов является актуальной научно - технической задачей, от решения которой зависит продолжительность работы химических реакторов.

Список литературы

1. Стрелов М.М., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров Москва, «Металлургия», 1978. - 376 с.

2. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. «Коррозия и защита от коррозии» / Под ред. И.В. Семёновой - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 336 с.

3. Озеров Н.А. Продление эксплуатационного ресурса стекловаренных печей на основе интенсификации теплообмена в системе регулируемого охлаждения огнеупорных стен варочного бассейна: Дис. ... канд. техн. наук: 17.12.13: Саратов, 2013. - 196 с.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Зиновьев Евгений Викторович Мумладзе Даниэль Григорьевич Орлов Дмитрий Викторович Таран Ангелина Викторовна

Студенты, Омский Государственный Технический Университет, г. Омск

FUNDAMENTALS OF THE THEORY OF NUCLEAR REACTORS AND THEIR CLASSIFICATION. Zinoviev Engeniy Victorovich, Student of Omsk State Technical University, Omsk Mumladze Daniel Grigorievich, Student of Omsk State Technical University, Omsk

Orlov Dmitriy Victorovich, Student of Omsk State Technical University, Omsk Taran Angelina Victorovna, Student of Omsk State Technical University, Omsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются основы теории атомных реакторов, их классификация и назначение. Рассмотрены принципы регулирования мощности реакторов, а также основные характеристики реакторов АЭС.

ABSTRACT

This article discusses the basic theory of nuclear reactors, their classification and designation. The principles regulating power reactors as well as the main characteristics of nuclear reactors.

Ключевые слова: ядерный реактор, топливный цикл, теория атомных реакторов, характеристики реакторов, атомная электрическая станция.

Keywords: nuclear reactor fuel cycle, nuclear reactor theory, characteristics of the reactor, nuclear power plant.

Ядерным энергетическим реактором называют агрегат, предназначенный для получения тепла из ядерного горючего путём самоподдерживающийся управляемой цепной реакции, деления атомов этого горючего. При работе ядерного реактора, для исключения возникновения цепной реакции, для искусственного гашения реакции используют замедлители, методом автоматического ввода в реактор элементов замедлителей. Чтобы поддерживать мощность реактора на постоянном уровне, необходимо соблюдать условие постоянства средней скорости деления ядер, так называемый коэффициент размножения нейтронов [2].

Атомный реактор характеризуется критическими размерами активной зоны, при которых коэффициент размножения нейтронов К=1. Задаваясь составом ядерного делящего материала, конструкционными материалами, замедлителем и теплоносителем, выбирают вариант, при котором К = да имеет максимальное значение. Эффективный коэффициент размножения представляет собой отношение числа рождений нейтронов к числу актов их гибели в результате поглощения и утечки.

Реактор с использованием отражателя уменьшает критические размеры активной зоны, выравнивает распределение потока нейтронов и увеличивает удельную мощность реактора, отнесённую к 1кг загруженного в реактор ядерного горючего. Расчёт размеров активной зоны производится сложными методами [3].

Реакторы характеризуются циклами и типами реакторов. Топливным циклом или циклом ядерного горючего называются совокупность последовательных превращений топлива в реакторе, а также при переработке облученного топлива после его извлечения из реактора с целью выделения вторичного топлива и невыгоревшего первичного топлива.

Топливный цикл определяет тип ядерного реактора, а именно:

• реактор -конвектор;

• реактор-размножитель;

• реакторы на быстрых, промежуточных и тепловых нейтронах;

• реактор на твёрдом, жидком и газообразном топливе;

• гомогенные и гетерогенные реакторы и другие. Классифицируя ядерные реакторы их можно распределить по нескольким признакам:

• По назначению

• по уровню энергии нейтронов, вызывающих большинство делений ядер топлива;

• по виду замедлителя нейтронов;

• по виду и агрегатному состоянию теплоносителя;

• по признаку воспроизводства ядерного топлива;

• по принципу размещения ядерного топлива в замедлителе,

• по агрегатному состоянию ядерного топлива. Реакторы, предназначенные для выработки электрической или тепловой энергии называются энергетическими, так же реакторы бывают технологические и двух-целевые.

По уровню энергии реакторы подразделяются:

• на тепловых нейтронах;

• на быстрых нейтронах;

• на промежуточных нейтронах. По виду замедлителей нейтронов:

• водяные;

• тяжёловодные;

• графитовые;

• органические;

• бериллиевые.

По виду теплоносителя:

• водяные, тяжёловодные,

• жидкометаллические,

• органические,

• газовые.

По принципу воспроизводства ядерного топлива -это: реакторы на чистом делящем изотопе; с воспроизводством ядерного топлива (регенеративные); с расширенным воспроизводством (реакторы-размножители).

По принципу ядерного горючего: гетерогенные и гомогенные, а по принципу агрегатного состояния делящего материала: форме твердого тела и реже в виде жидкости или газа.

Если ограничиться основными признаками, то может быть предложена следующая система обозначения типов реакторов:

1. Реактор с водой в качестве замедлителя и теплоносителя на слабообогащённом уране или водо-водя-ной реактор (ВВР).

2. Реактор с тяжёлой водой в качестве замедлителя и обычной водой в качестве теплоносителя на природном уране. Обозначение: тяжёло-водяной реактор на природном уране (ТВР-Уп) или тяжёло-водно-водяной реактор (ТВР).

3. Реактор с графитом в качестве замедлителя и водой в качестве теплоносителя на слабо обогащённом уране будет называться граффито-водяной на слабо обогащённом уране (ГВР-Уно) или граффито-водяной реактор (ГВР).

4. Реактор с графитом в виде замедлителя и газом в качестве теплоносителя на природном уране (ГГР-Уп) или граффито-газовый реактор (ГГР).

5. Реактор с кипящей водой в качестве замедлителя теплоносителя может быть обозначен ВВКР, такой же реактор на тяжёлой воде - ТТКР.

6. Реактор с графитом в качестве замедлителя и натрием в качестве теплоносителя может быть обозначен ГНР.

Реактор с органическим замедлителем и теплоносителем может быть обозначен ООР [1].

Основные характеристики реакторов АЭС

АЭС

Характеристики реакторов С реакторами на тепловых нейтронах С реакторами на быстрых нейтронах

Тип реактора ВВЭР РБМК РБН

Теплоноситель Вода вода Жидкий №, К, вода

Замедлитель Вода графит отсутствует

Вид ядерного топлива Слабо обогащённый уран Слабо обогащённый уран Высоко обогащённый уран или Ри-239

Обогащение ядерного топлива по и-235, % 3-4 2-3 90

Количество контуров

циркуляции теплоноси- 2 1 3

теля

Давление пара перед турбиной, МПа 4,0-6,0 6,0-6,5 6,0-6,5

КПД АЭС -30% 30-33% -35%

Список литературы 2. Александров А.П., «Атомная энергетика», 1978.

1. Канаев А.А., «Атомные энергетические станции», 3. Проценко А.И., «Энергия будущего», 1985. 1961.

ПЕНОСТЕКЛО НА ОСНОВЕ СТЕКЛОБОЯ И ВЫСОКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ

ГОРНЫХ ПОРОД

Зонхиев Марк Максимович

Канд. техн. наук, доцент кафедры ПСМИ, г. Улан-Удэ Дамдинова Дарима Ракшаевна Доктор техн. наук, профессор кафедры ПГС, г. Улан-Удэ Беппле Рейнгольд Рейнгольдович

Доцент кафедры ПСМИ, г. Улан-Удэ

Актуальность исследований вызвана потребностью строительной индустрии в эффективных теплоизолято-рах. Основное преимущество разработанной технологии -это возможность использования широкого спектра местных сырьевых материалов, например, эффузивных пород (перлитов, нефелиновых сиенитов и базальтов), запасы которых в Бурятии достаточны для освоения производства пеностекла в промышленных объемах.

Использование энергонасыщенных эффузивных горных пород при получении из них пеностекол по сокращенной технологии, как правило, требует подшихтовки-стеклобоем и (или) добавки щелочного компонента, а также тонкого измельчения и механоактивации компонентов шихты. Удельная поверхность, являясь кинетическим фактором, снижает энергозатраты при обжиге пеностекол. В особенности это важно для получения качественных пеностекол при непосредственном вспенивании размягченной стекломассы, поскольку в этом случае трудно добиться степени однородности расплава, которая достигается при высокотемпературной варке. Несомненна также роль химического и фазового составов исходного сырья, которые также предопределяют энергозатраты производства пеностекла.

В последующих работах для синтеза пеностекол применялись стеклобой и цеолитовые горные породы, представленные витрокластическим туфом и цеолитсо-держащей породой, а в качестве щелочного компонента использован гидроксид натрия.

Цеолитовые минералы характеризуются сообщающимися между собой окнами, каналами и полостями на

Осуществление мероприятий по повышению энергоэффективности существующих и вновь возводимых объектов строительства требует применения для их теплоизоляции конкурентоспособных теплоизоляционных материалов. Данная проблема особенно актуальна в холодных и влажных регионах, где эффективная теплоизоляция может дать значительный экономический эффект.

Одним из направлений решения данной проблемы являются проведение НИОКР и внедрение их результатов в производство высокоэффективного теплоизоляционного материала - пеностекла, применение которого в объектах строительства, в том числе - автодорожного, рассчитано на неограниченно длительный срок службы и превосходящего по долговечности все используемые в настоящее время теплоизоляционные материалы.

Вопросами синтеза пеностекол занимались такие ведущие вузы и научные учреждения России, как МГСУ (Москва), ИХС РАН (Санкт-Петербург), БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород), ВГАСУ (Воронеж) и др.[1,2,3].

Технология получения пеностекол по сокращенной схеме, без энергоемкого стекловарения разработана в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете (ВСГТУ), где созданы пеностекла на основе эффузивных пород и стеклобоя. В исследованиях А. Д.Цы-ремпилова, Д.Р.Дамдиновой и др. повышению эффективности пеностекол способствовали механо-химическая активация сырья, а для регулирования их поровой структуры и свойств применялись добавки-катализаторы и специальные технологические приемы термообработки [4].