Инертные газы - Фастовский В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
В некоторых случаях положительное влияние оказывают добавки активных газов в инертную среду: природа этих добавок зависит от характера свариваемого изделия и электрода. В последние годы возрос спрос на смесь Аг—02 для сварочных работ [48].
Требования к чистоте инертного газа зависят от природы металла: углеродистая сталь, медь допускают значительные примеси активных газов; алюминий, магний требуют чистых газов; титан, цирконий совершенно нетерпимы к малейшим примесям активных газов. О надежности газовой защиты в процессе сварки и последующего охлаждения сварных соединений можно судить по виду шва: с чистым газом получается блестящая серебристая поверхность, с грязным — серые налеты на шве.
В заключение отметим, что обусловленное требованиями новой техники резкое расширение производства алюминия, меди, никеля, титана, циркония, германия, кремния, специальных сортов легированной стали сопровождается параллельным возрастанием роли сварки в инертной среде. Это требует увеличения выпуска аргона и дальнейшего повышения его чистоты с одновременным снижением стоимости. Техника сжижения аргона с его последующей газификацией позволяет получать аргон чистотой 99,99975%.
Ядерная техника. Возросшая роль инертных газов в металлургии и сварке в значительной мере обусловлена требованиями ядерной техники. Инертные газы (гелий) необходимы не только на некоторых стадиях получения ядерного горючего [49], но и при сооружении реакторов, хранении и транспортировке тепловыделяющих элементов. Особенно важна роль гелия в реакторах с жидкометаллическими теплоносителями, во всех узлах Кта—К-системы, где возможна свободная поверхность этих тепло-
22
носителей. Графитовые замедлители также изготовляют и размещают в среде гелия, что исключает адсорбцию воздуха и последующую его десорбцию в реакторе. Очень существенна роль гелия для обнаружения неплотностей, приводящих к утечкам, которые не выявляются другими методами, в частности галоидным течеискателем [50, 51]. ¦
Гелий обладает физическими свойствами, которые позволяют оценивать этот газ как лучший среди газовых теплоносителей [52]; он обладает пренебрежимо малым сечением захвата нейтронов, а экономия нейтронов — одна из важных проблем при проектировании реакторов. Химическая инертность гелия крайне важна — исключается проблема коррозии тепловыделяющих элементов, структурных материалов, что позволяет повысить температурный уровень в реакторе, а тем самым его энергетическую эффективность. Температурный уровень в реакторе при использовании углекислого газа ограничивается возможностью его взаимодействия с углеродом замедлителей.' Гелий не становится радиоактивным под воздействием нейтронной бомбардировки (наличие воздуха приводит к образованию радиоактивного Аг41). Наконец, гелий обладает отличными теплофизическими свойствами— высокими значениями теплоемкости и теплопроводности, а его малая плотность позволяет сократить (по сравнению с С02) затраты на циркуляцию теплоносителя [53].
Однако гелий не нашел пока применения в качестве теплоносителя ядерных реакторов по следующим причинам: 1) он дорог, дефицитен и не является отечественным продуктом большинства стран (кроме США, Канады и СССР); 2) чрезвычайно сложно решить проблему уплотнения аппаратуры; утечки гелия возможны через микродефекты сварки и в результате диффузии через стенки труб, сосудов; при температуре около 600"С и давлении 60 ат через стенки трубы из аустенитовой стали проникает 1-10 9 л((см2-сек) Не [54]; если учесть возможность диффузии продуктов деления в гелии, то последний придется, по-видимому, очищать адсорбционным методом; для крупных реакторов очистка громадных потоков газа вырастает в сложную проблему.
Все же такая возможность весьма перспективна, и работы в этом направлении ведутся [50]. Использование гелия в качестве теплоносителя, а также применение оболочек твэлов из алюминиевых сплавов или нержавеющей стали позволят повысить температуру газа на выходе из реактора примерно до 700—753° С. В связи с этим возникает важный вопрос о возможности непосредственного использования газотурбинного цикла, минуя стадию газ — пар. Создание высокотемпературного реактора с гелиевым теплоносителем связано с большими трудностями [50].
Велика роль инертных газов и их радиоактивных изотопов в измерительной технике, применяемой для эксплуатации ядерных реакторов и исследования ядерных процессов. Отметим так-
23
же применение жидких гелия и ксенона в пузырьковых камерах: для исследования частиц высоких энергий; в жидкостях, перегретых внезапным расширением паров над ними, ионизирующие частицы оставляют след в виде цепочки маленьких пузырьков. [55, 56]. Пузырьковая камера работает быстрее камеры Вильсона и предпочтительнее последней благодаря высокой плотности жидкости [57].
Криогенная техника. Последние десятилетия характеризуются' • интенсивным развитием криогенной техники [58]. Ожижение гелия для получения температуры 1—4° К приобрело промышленный характер, и в настоящее время сооружаются крупные установки и соответствующие емкости с суперизоляцией для хранения жидкого гелия. В 1962—1963 гг. производительность отдельных гелиевых ожижителей уже достигала 100—120 л/ч жидкого-гелия. Ныне на гелиевом заводе в Отисе (шт. Канзас) функционирует установка жидкого гелия производительностью 800— 900 л/ч жидкого гелия. Жидкий гелий сливается в специальные цистерны емкостью 40 м3. Широко применяется в США ожижение гелия [59] для уменьшения (в 5—6 раз) затрат на его транспортирование и распределение. Емкость стационарных сосудов жидкого гелия достигает 12 м3. Если вспомнить, что до 1950 г. производительность гелиевых ожижителей не превышала 5— 15 л/ч, то станут очевидными поразительные масштабы современной техники ожижения гелия. Создаются мощные гелиевые-рефрижераторные циклы на уровне 7—10° К [60]. Все эти установки требуют больших количеств чистого гелия, свободного от примесей Нг, N2, Ог, СОг, влаги.
