www.mexanik.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одним из основных путей повышения коэффициента полезного действия энергетических установок, в том числе ядерных, является увеличение рабочих температур. Весьма перспективными с этой точки зрения оказываются жидкометаллические теплоносители, обладающие целым комплексом положительных свойств.

Известно, что воду в качестве теплоносителя даже при больших давлениях можно использовать только при сравнительно невысоких температурах, ограниченных критической точкой 373°. В отличие от воды многие легкоплавкие металлы (натрий, калий, литий, свинец, висмут и др.) и при атмосферном давлении остаются в жидком состоянии в широкой температурной области. Это качество в сочетании с хорошими теплофизическими характеристиками позволяет получить значительные преимущества при выборе энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями вместо аналогичных установок с другими теплоносителями. В первую очередь это относится к ядерным энергетическим установкам.

Высокие коэффициенты теплопроводности и теплоемкости жидких металлов позволяют получать высокие значения теплосъема с единицы поверхности тепловыделяющих элементов активной зоны и теплоотдачи в теплообменных устройствах при относительно малом объеме теплоносителя, что в свою очередь дает возможность уменьшить габариты установок. В этом отношении жидкие металлы имеют явное преимущество перед газами, при применении которых приходится использовать большие объемы теплоносителя, высокие скорости потока и давления. Многие из жидкометаллических теплоносителей имеют малый коэффициент замедления нейтронов, а также малое сечение захвата тепловых нейтронов.

Указанные свойства жидкометаллических теплоносителей, по-видимому, делают их единственно приемлемыми для установок, работающих на быстрых нейтронах [37].

Одноатомность жидкометаллических теплоносителей обеспечивает большую стабильность в условиях интенсивного нейтронного облучения. Отсутствие таковой для некоторых сред ограничивает возможности их применения. Так, например, многие органические теплоносители в условиях высоких температур и нейтронного потока подвергаются полимеризации, уменьшающей их жидкоте-кучесть и вызывающей выпадение больших осадков.

Применение жидкометаллических теплоносителей в энергетических установках связано с рядом сложных проблем, которые в настоящее время во многом еще остаются нерешенными. Одной из таких проблем является выбор конструкционных материалов для работы при высокой температуре в контакте с жидкометалличе-скими теплоносителями. Условия работы этих материалов в значительной степени отличаются от условий работы в высокотемпературных установках с другими средами. Важным качеством конструкционных материалов является их коррозионная стойкость. Некоторые ответственные детали энергетических установок являются тонкостенными трубками, поэтому уже небольшие коррозионные повреждения могут оказаться недопустимыми.

Коррозия в жидкометаллической среде имеет ряд принципиальных отличий по сравнению с коррозией в воде и газах, а следовательно, требует специального изучения. Специфическими особенностями обладает напряженное состояние в деталях энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями. Напряжения от механических нагрузок можно существенно уменьшить, так как нет необходимости поддерживать высокое давление теплоносителя. С другой стороны, большое значение приобретает сопротивление материала действию термических напряжений, в особенности имеющих циклический характер. Это исключает возможность выбора оптимальных конструкционных материалов на основании одних только сведений о пределах длительной прочности и текучести. Выбор и рекомендации конструкционных материалов для установок с жидкометаллическими теплоносителями требуют проведения различных испытаний, многие из которых являются новыми для обычной практики испытаний жаропрочных материалов, используемых в энергомашиностроении. В частности, большое значение приобретают испытания на термическую усталость.

В настоящее время имеющиеся в литературе сведения о поведении материалов в жидкометаллической среде, а также об особенностях механических испытаний, необходимых при разработке конструкционных материалов для установок с жидкометаллическими теплоносителями, недостаточно систематизированы. Отдельные монографии, посвященные жидкометаллическим теплоносителям [2], [29], [64], [69], рассматривают в основном лишь различные особенности конструкций таких установок и вопросы теплообмена. Методы испытаний, а также данные о коррозионных и коррозионно-механических свойствах соответствующих конструкционных материалов освещены в указанных работах недостаточно.

Авторы книги стремились по возможности обобщить литературные данные в этой области, а также наметить основные положения, которых следует придерживаться при выборе конструкционных материалов для установок с жидкометаллическими теплоносителями.

В первой главе книги дается описание основных видов воздействия жидких металлов на конструкционные материалы. Во второй главе рассматриваются основные методы испытаний, необходимые при разработке и выборе конструкционных материалов для энергетических установок с жидкометаллическими теплоносителями. Помимо различных коррозионных испытаний, для этой цели необходим целый комплекс механических и коррозионно-механических испытаний. В гл. II рассматриваются значение и особенности таких испытаний применительно к выбору материалов для установок с жидкометаллическими теплоносителями.

Наибольшей по объему и главной по содержанию является третья глава книги, в которой на основании имеющихся литературных данных приводятся сведения о поведении различных материалов в жидкометаллических теплоносителях.

Рассматриваемые в книге жидкометаллические теплоносители обладают рядом индивидуальных преимуществ и недостатков, делающих их более или менее перспективными для использования в различного рода энергетических установках.

Например, натрий имеет сравнительно невысокий удельный вес и малую коррозионную агрессивность, однако применение его связано с тщательным соблюдением герметичности всей установки вследствие опасности пожаров и взрывов, особенно в случае, если имеет место взаимодействие с водой.

Применение «тяжелых» жидкометаллических теплоносителей, таких как свинец, висмут, ртуть, олово, целесообразно в установках с водяным рабочим телом во втором контуре из-за безопасности с точки зрения пожаров и взрывов. Отрицательными качествами тяжелых жидких металлов является агрессивность по отношению ко многим конструктивным материалам, высокий удельный вес, а в некоторых случаях — токсичность.

Учитывая вышеизложенное, авторы стремились дать в гл. III по возможности полный обзор имеющихся данных о поведении конструкционных материалов в различных жидкометаллических теплоносителях.

В энергетических установках с жидкометаллическими теплоносителями одновременно могут использоваться и другие теплоносители, например вода, газы. Поведение конструкционных материалов в этих средах в данной книге не рассматривается, этим вопросам посвящены специальные монографии, например [65]. Кратко сообщается лишь о коррозии материалов в расплавах щелочей и солей, во многом сходной с коррозией в жидких металлах.

В заключении на основании комплексного рассмотрения результатов коррозионных и механических испытаний, а также имеющегося опыта эксплуатации установок с жидкими металлами рассматриваются возможности рационального использования тех или иных конструкционных материалов для энергетических установок с некоторыми жидкометаллическими теплоносителями.

Назад, на страницу описания