Рабочие тела энергетики - Гелий

Историческая справка

Сегодня гелий для нас – заурядный химический элемент таблицы Д.И. Менделеева, расположенный следом за водородом и имеющий хорошо известные каждому школьнику характеристики и свойства.

Открыт гелий был британским ученым Уильямом Рамзаем в 1895 году в череде его успешных исследований свойств газов атмосферы с 1890 по 1903 годы. К слову, в советской научной литературе имя ученого часто записано как Вильям Рамзей, не переживайте – это один и тот же человек.

В энергетике наиболее ценны термодинамические свойства гелия, точнее его самого распространенного изотопа – гелий-4. Так же существует еще одна природная версия гелий-3, но его примерно в 700 тысяч раз меньше чем гелий-4 в атмосфере. Кроме указанных двух есть еще семь изотопов от гелия-2 до гелия-10, но их периоды полураспада настолько малы (разве кроме гелия-6, продуктом распада которого является Li), что в качестве рабочего тела они пока не представляют собой интерес.

О термодинамических свойствах

Как и другие вещества, кроме газообразного агрегатного состояния гелий имеет ещё жидкое и твёрдое. Ознакомимся с параметрами температуры и давления при которых такие состояния возможны.

Первая классическая граница – это линия плавления и затвердевания.

Авторское видение линии затвердевания гелия-4. При давлении менее 2,93МПа твердого гелия не существует, сразу раздел фаз жидкость-газ.

Вторая классическая граница – это линия кипения и конденсации.

Авторское видение линии кипения и конденсации гелия-4. При более высоких температуре и давлении существует только газообразный гелий-4.

Наибольшей из всех состояний гелия-4 является область, где вещество газ. Сегодня известны термодинамические свойства от 2,2 К и 0,01 МПа до 1500 К и 100 МПа. Среди этих свойств в указанном диапазоне достоверно известны значения плотности (кг/м3), коэффициент сжимаемости, энтальпия (кДж/кг), энтропия (кДж/кг К), теплоёмкость изохорная и изобарная (кДж/кг К), скорость звука (м/с), адиабатный дроссель эффект (К/МПа), показатель адиабаты, летучесть (МПа), коэффициент объемного расширения и термический коэффициент давления.

Применение в современной энергетике

Основным потребителем гелия-4 в энергетике является атомное направление. Исследования по использованию неводных рабочих тел в энергетике начали развиваться в 40-50 годах ХХ века. В начале 60 годов в качестве рабочих тел для реакторов были выбраны гелий-4 и углекислый газ. Однако, учитывая тенденцию к повышению температуры газового рабочего тела выше 1000°C, использование углекислого газа в последнее время не представляется возможным.

Причиной тому служит окисление углерода в составе стали парогенератора, которое приводит к ухудшению характеристик самих сплавов и загрязнению рабочего тела. Гелий-4, будучи инертным газом, химически нейтрален к сталям, а его изотоп гелий-3, хоть и взаимодействует с реакторным излучением с образованием трития, его малое содержание не влияет на качество рабочего тела.

Гелий-4, как отмечено выше, не взаимодействует с реакторным излучением, а также обладает в порядка 5 раз большей теплоемкостью, чем углекислый газ. При повышении температуры количество тепла, передаваемого гелием, значительно возрастает.

При давлении гелия-4, поддерживаемом на уровне 4 МПа, являющимся в настоящее время максимальным рабочим в атомной энергетике.

Поддержание чистоты рабочего тела

Для поддержания химических, тепловых и ядерных характеристик описанного рабочего тела в первую очередь решался вопрос его химической чистоты. Основными природными примесями гелия-4 являются азот, водород, угарный газ и метан, а так же образующиеся в процессе переноса энергии продукты ядерных реакций. Процесс очистки идет в соответствии со схемой.

Условная схема этапов очистки гелия-4 от примесей.

На первом этапе происходит нагрев рабочего тела до 300-400°C и окисление водорода и угарного газа до водяного пара и углекислого газа. Второй этап охлаждение до 30-40°C и удаление влаги. Третий этап удаление продуктов ядерных реакций на сорбенте. Четвертый этап последовательная доочистка сперва от влаги, а после от углекислого газа. Пятый этап охлаждение до температуры менее -150°C и глубокая доочистка от продуктов ядерных реакций на сорбенте.

В результате такой схемы продуты ядерных реакций удаляются до количества не поддающего определению. Содержание влаги на уровне менее двух десятитысячных процента, водорода менее пяти десятитысячных процента, угарного и углекислого газов суммарно менее шести десятитысячных процента. Такое содержание примесей в рабочем теле гелий-4 позволяет сохранить его характеристики, а стали от разрушения из-за взаимодействия с рабочим телом.

Вместо заключения

Гелий-4 является по многим указанным выше характеристикам, перспективным рабочим телом. Вероятнее всего его применение расширится как в энергетике, так и в других отраслях промышленности.

На сегодня всё, в следующий раз разговор пойдёт о следующем рабочем теле в энергетике.