Научная статья на тему 'Повышение КПД энергетических систем путем внедрения газофазных ядерных реакторов'

Повышение КПД энергетических систем путем внедрения газофазных ядерных реакторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
341
180
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГАЗОФАЗНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Садков Е. В.

Газофазные ядерные реакторы (ГФЯР) могут послужить основой создания высокоэффективных атомных энергетических установок большой единичной мощности. Такое применение высокотемпературных ядерных реакторов с газофазной активной зоной в комбинации с МГД-генератором электрической энергии позволяет повысить полный термический КПД энергоустановки примерно до 65%, то есть существенно выше, чем у ныне эксплуатирующихся или сооружаемых атомных энергетических установок.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Increase of efficiensy of power systems by introduction nuclear reactors

Gas nuclear reactors can form a basis of creation of highly effective nuclear power installations of the big individual capacity. Such application of high-temperature nuclear reactors with газофазной an active zone in a combination with the MGD-GENERATOR of electric energy allows to increase complete thermal EFFICIENCY of power installation approximately to 65 %, that is essentially above, than at nowadays maintained or constructed nuclear power installations.

Текст научной работы на тему «Повышение КПД энергетических систем путем внедрения газофазных ядерных реакторов»

= 20

Энергобезопасность в документах и фактах

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

Рубрику ведет В. М. Аванесов,

заведующий кафедрой «Энергосбережение» НОУ ВПО МИЭЭ,

кандидат технических наук, доцент

Повышение КПД энергетических систем путем внедрения газофазных ядерных реакторов

Е.В. Садков,

адъюнкт Военной академии РВСН им. Петра Великого

На современном этапе развития энер-гетики основным направлением исследования являет ся со зда ние энер ге -т и ч е -ских установок с вы-со ким зна че ни ем

КПД.

Еще в 1955 г. было высказано предположение о возможности создания энергетической установки с высоким КПД на ядерном топливе, которое находится в газообразном состоянии. Требования, предъявляемые к энергетическим реакторам, определяются экономичностью термодинамического цикла и в связи с этим стремлением к повышению его параметров.

Газофазные ядерные реакторы (ГФЯР) могут послужить основой создания высокоэффективных атомных энергетических установок большой единичной мощности. Такое применение высокотем-пе ра тур ных ядер ных ре ак то ров с га зо фаз ной ак -тивной зоной в комбинации с МГД-генератором эле к т ри че с кой энер гии поз во ля ет по вы сить пол -ный термический КПД энергоустановки примерно до 65%, то есть существенно выше, чем у ныне эксплуатирующихся или сооружаемых атомных энергетических установок. Это обстоятельство чрез вы чай но важ но в от но ше нии сни же ния теп ло -во го за гряз не ния ок ру жа ю щей сре ды. По ме ре рос та ус та нов лен ных мощ но с тей эле к т ро стан ций (как атомных, так и тепловых) и увеличения единичных мощностей эта проблема становиться всё более существенной. Отвод тепла в естественные водоёмы нарушает экологию рек. Сброс больших ко ли честв теп ла че рез гра дир ни мо жет вли ять на местные метеоусловия — влажные градирни могут быть при чи ной воз ник но ве ния ту ма нов, а су -хие об ра зу ют боль шие теп ло вые по то ки в ат мо -сфе ру.

Высокотемпературный ГФЯР и замкнутые на него системы могут работать с более высокой термодинамической отдачей, чем реакторы с передачей тепла за счет конвекции.

Основным конструктивным признаком ГФЯР является полость, окруженная замедлителем-отражателем, и содержащая делящуюся урановую плазму, отделенную от стенки инертным буферным газом. Управление реактором осуществляется с помощью регулирующих цилиндров, размещенных в отражателе. Съем мощности осуществляется двумя способами. Первый состоит в том, что прокачиваемые через по лость га зы от да ют теп ло в теп ло об мен ни ке обычной конструкции. Второй способ — это передача энергии в виде лучистого теплового потока через прозрачные окна.

При ме не ние энер го ус та но вок на ос но ве ГФЯР позволяет достичь лучших эксплуатационных и энергетических показателей, таких, как меньшая критическая масса, циркуляция ядерного топлива в кон ту ре с од но вре мен ной очи ст кой, вы го ра ние трансурановых элементов, высокая степень выгорания са мо го ядер но го топ ли ва, вы со кие удель ные энер ге ти че с кие ха рак те ри с ти ки, ма лое ко ли че ст во ос кол ков де ле ния, ос та ю щих ся в ак тив ной зо не, вы -сокий уровень температуры для передачи тепловой энергии, оптическое излучение для ведения фотохи-ми че с ких про цес сов.

Наиболее приемлемым ГФЯР для энергоуста-но вок яв ля ет ся ре ак тор с ак тив ной зо ной, на хо дя -щей ся в га зо об раз ном со сто я нии, с ко ак си аль ным об те ка ни ем ра бо чим те лом ядер но го го рю че го, на -хо дя ще го ся в га зо об раз ном со сто я нии, прак ти че с -ки без пе ре ме ши ва ния, за счет раз лич ных спо со -бов удер жа ния де ля ще го ся ве ще ст ва в ак тив ной зоне. Так как основная часть тепла в газофазном ре ак то ре вы де ля ет ся не по сред ст вен но в га зе, то его тем пе ра ту ра мо жет зна чи тель но пре вы шать тем пе ра ту ру ок ру жа ю щих ак тив ную зо ну кон ст -рук ций.

Ме тод раз де ле ния га зо об раз но го ядер но го го рю -че го и ра бо че го те ла с од но вре мен ным удер жа ни ем

гоивиив

Энергосбережение

21 =

го рю че го вне кон так та со стен ка ми ос но ван на боль -шой раз ни це от но си тель ных мо ле ку ляр ных масс де ля ще го ся ве ще ст ва и во до ро да и воз мож но с ти ги -дродинамического их разделения. В принципе и в слу чае га зо фаз ной ак тив ной зо ны воз мож но со зда -ние ви х ре во го ядер но го ре ак то ра, в ко то ром бла го -да ря тан ген ци аль но му вво ду га зов в по лость в ней со зда ёт ся ви х ре вой по ток, и цен т ро беж ные си лы удер жи ва ют тя жё лый де ля щий ся газ у внеш ней поверхности, лёгкий — рабочее тело — идёт внутрь полости. Чем больше поле центробежных сил, тем мень ше ура на уно сит ся с ра бо чим те лом. С со зда ни -ем ви х ре во го га зо фаз но го ядер но го ре ак то ра свя за -но много проблем, главная из которых — стабильность ре жи ма его ра бо ты, так как ги д ро ди на ми че с -кая не ус той чи вость ура но во го об ла ка бу дет вы зы вать ко ле ба ния ре ак тив но с ти та ко го ре ак то ра. Вто рая про бле ма — ог ра ни че ние в ра ди аль ном по -то ке ра бо че го те ла. Этот по ток име ет пре дел для каждого значения поля центробежных сил, при котором ещё существует урановое облако, а также суще ст ву ет про бле ма ох лаж де ния сте нок по ло с ти, что ограничивает верхний температурный предел.

В настоящее время интерес к ГФЯР возрос в связи с пред ло же ни ем ис поль зо вать в ак тив ной зо не гек са фто рид ура на вме с то ура но вой плаз мы.

Этот интерес обусловлен как трудностями, с которыми столкнулась традиционная ядерная энергетика, так и рядом потенциальных преимуществ энерге-ти че с ких ус та но вок на ос но ве ГФЯР.

Основные преимущества газофазных систем:

1. Поскольку горючее циркулирует:

О в активной зоне не накапливается активность;

О может быть достигнуто 100% использование делящихся материалов;

О сокращается топливный цикл и сопутствующие затраты энергии;

О уп ро ща ют ся про бле мы транс пор ти ров ки, пе ре -ра бот ки и за хо ро не ния от хо дов;

О достигается вы со кая ма не в рен ность для транс -порт ных си с тем и спец при ме не ний.

2. Нейтронно-физические характеристики актив ной зо ны поз во ля ют:

О обес пе чить кри тич ность при ма лых за груз ках урана-235 в активную зону — единицы, десятки ки ло грам мов;

О ис поль зо вать ре ак тор для «до жи га ния» дол го -жи ву щих ак ти ни дов.

3. Потенциально большая безопасность при ис-поль зо ва нии:

О нет не об хо ди мо с ти в на чаль ном за па се ре ак -тив но с ти в ак тив ной зо не;

О очень большие отрицательные коэффициенты реактивности по мощности (в принципе возможна стационарная работа при р>Р);

О ава рий ная за щи та в прин ци пе мо жет быть обес пе че на пре до хра ни тель ным кла па ном;

О энер го ус та нов ка мо жет транс пор ти ро вать ся раз дель но с топ ли вом, что ис клю ча ет ве ро ят -ность ядерной аварии.

4. Новые возможности применений:

О при не ко то рых ус ло ви ях зна чи тель ная до ля энер гии мо жет вы во дить ся в ви де не рав но мер -ного электромагнитного излучения; в этом случае эффективность не ограничивается циклом Карно, как в тепловых машинах.

В нашей стране в середине 80-х годов была со-зда на экс пе ри мен таль ная ус та нов ка «Гек ла», на ко то рой ус пеш но про шли ис сле до ва ния удер жа -ния в цен т раль ной ча с ти ка ме ры гек са фто ри да ура на с по мо щью за кру чен но го по то ка бу фер но го газа. Аргон, являющийся буферным газом, подается через щель, проходящую по всей длине образующей камеры. Большая часть аргона выходит из ка ме ры че рез пер фо ри ро ван ную стен ку по сле то -го, как сде ла ет один обо рот. Ос тав ший ся ар гон вме с те с гек са фто ри дом ура на уда ля ет ся че рез вы пу ск ной па т ру бок, рас по ло жен ный в цен т ре тор це вой стен ки ка ме ры. Гек са фто рид ура на не -пре рыв но по да ет ся в за кру чен ный по ток че рез от -вер стия, раз ме щен ные во круг вы пу ск но го па т руб -ка. Вы хо дя щий че рез па т ру бок газ пред став ля ет собой смесь буферного газа и гексафторида урана. Хотя начальные критические эксперименты вы-пол ня лись по схе ме бал ло ной по да чи, пре ду с ма т -ри ва лось в даль ней шем осу ще ст вить не пре рыв -ную цир ку ля цию, при ко то рой гек са фто рид ура на и бу фер ный газ долж ны бы ли раз де лять ся и вновь подаваться в камеру. Схема включает четыре основные подсистемы. В первую входит цилиндрический сосуд с вихревой камерой. Вторая подсистема включает циркуляционный контур для буферного газа — аргона. Третья — контур впрыска гек са фто ри да ура на и чет вер тая — кон тур от де -ления ГУ от аргона и последующего возвращения в контур впрыска. Из вихревой камеры большая часть гек са фто ри да ура на по сту па ет в се па ра тор и кон ден са тор, в ко то ром гек са фто рид ура на де суб -ли ми ру ет ся и та ким об ра зом от де ля ет ся от ар го на и ге лия. От де лен ный от дру гих га зов гек са фто рид ура на за тем сжи жа ет ся и на со сом пе ре ка чи ва ет ся об рат но в кон тур впры с ка. Га зы, ос тав ши е ся по сле от де ле ния гек са фто ри да ура на, долж ны быть про -пущены через химический фильтр из NaF для того, чтобы очистить их от всяких следов гексафторида урана. После того, как гелий будет отделен от ар го на в вы мо ра жи ва те ле, он пе ред по да чей в кон -тур впры с ка сжи ма ет ся ком прес со ром. Под го тов -лен ный та ким об ра зом ге лий ис поль зу ет ся в ка че -ст ве раз ба ви те ля гек са фто ри да ура на пе ред по да -чей по след не го в ви х ре вую ка ме ру.

Для энергетических установок большой мощности целесообразно применение газофазного реактора со смешением потоков (гетерогенный ГФЯР).

Га зо фаз ный ре ак тор со сме ше ни ем по то ков (рис. 1) состоит из нескольких (обычно 7) полостей, окруженных бериллиевым замедлителем, бланкетной зо ной с рас пла вом со лей, со дер жа щих то рий, и гра фи то вым от ра жа те лем.

Гек са фто рид ура на по да ет ся в цен т раль ную зо -ну по ло с ти, вдоль стен ки ор га ни зу ет ся кру го вое

гаииииа

Энергобезопасность в документах и фактах

Рис. 1. Гетерогенный газофазный реактор

движение буферного газа, предохраняющее стенки от контакта с разогретым делящимся газом. На выходе из полости газы перемешиваются. Тепло со сте нок сни ма ет ся бу фер ным га зом. Теп ло от по до -гретой в активной зоне смеси снимается в промежуточном теплообменнике откуда передается в обычный паротурбинный цикл. В полости активной зо ны ус та нов ле ны гра фи то вые стерж ни, об те -каемые смесью гексафторид урана-гелий.

Энергетическая установка на основе гетерогенного ГФЯР отличается улучшенными характеристиками по теплоотдаче, распределению температуры и выделяемой мощности, экономичности по топливу, простой конфигурацией.

Для энергетических установок мощностью 0,1-1 МВт (эл.) целесообразно применение ГФЯР без смешивания потоков (гомогенный ГФЯР, рис. 2).

Ре ак ция де ле ния идет в ак тив ной зо не, со сто я -щей из за мед ли те ля, от ра жа те ля и ка на лов для протока гексафторида урана. Тепло, выделяющееся в объеме газа, идет на подогрев газа до макси-маль ной тем пе ра ту ры и пе ре да ет ся во внеш нем теп ло об мен ни ке во вто рой кон тур, в ка че ст ве ко -то ро го це ле со об раз но ис поль зо вать обыч ный цикл Брай то на с ре ге не ра ци ей. Ох лаж ден ный в теп ло -об мен ни ке гек са фто рид ура на под жи ма ет ся ком -прес со ром и вновь по да ет ся в ак тив ную зо ну. В пер вом кон ту ре мо жет цир ку ли ро вать как чи с тый гексафторид урана, так и его смесь с другими газами. При тепловой мощности реактора 500 кВт расход гек са фто ри да ура на дол жен со став лять 4,8-5 кг/с, мощность, затрачиваемая на привод ком прес со ра 1-го кон ту ра, со став ля ет по оцен кам ме нее 4 кВт.

Рис. 2. Гомогенная схема ядерного реактора

гоивиив

Энергосбережение

ІЗ =

При вы со кой сте пе ни обо га ще ния топ ли ва (90-93% по урану-235) размеры активной зоны могут составлять менее 1м в любом измерении, при давлении гексафторида урана 10-100 атм. Общая масса энергоустановки порядка 5 тонн. Максимальная температура ограничена коррозионной стойкостью стенок, контактирующих с гексафторидом урана в смеси с фтором или фторидом хлора. Изве-ст ные ма те ри а лы обес пе чи ва ют в этой сре де ско -рость коррозии в единицы микрон в год при температуре стенки менее 900 К. при увеличении температуры скорость коррозии быстро возрастает. Не ис клю че но, что мо гут быть най де ны но вые ма те ри -а лы или по кры тия, обес пе чи ва ю щие ста биль ную работу системы при больших температурах.

Газофазные ядерные реакторы имеют ряд опре де лен ных пре иму ществ по срав не нию с пе ре до -вой тех но ло ги ей со вре мен но го ре ак то ро ст ро е ния. Благодаря этим преимуществам газофазный ядерный реактор может стать идеальным реактором для энергоустановок и ракетных двигателей. Весьма при вле ка тель ны ми яв ля ют ся такие ха рак те ри -

стики, как высокая эффективность и малое коли-че ст во де ля щих ся ма те ри а лов. Од на ко не об хо ди мо со вер шен ст во ва ние ря да тех но ло ги че с ких про цес -сов, преж де чем ста нут воз мож ны ми ин же нер ные про ра бот ки га зо фаз ных ядер ных энер го ус та но вок, т.к. для дви жу ще го ся ядер но го го рю че го с уче том его сжи ма е мо с ти, ча с тич но го за пол не ния объ е ма по ло с ти удер жи ва ю щим бу фер ным га зом фи зи ка ре ак то ра ста но вит ся очень слож ной, осо бен но в свя зи с пе ре ход ны ми про цес са ми.

Должна быть решена проблема коррозии матери а лов от воз дей ст вия фто ра и гек са фто ри да ура -на, хо тя по след ние ре зуль та ты по ка зы ва ют, что она не является непреодолимой. Создание закручен но го бу фер но го по то ка в га зо вой по ло с ти поз во -ля ет ог ра дить стен ку от воз дей ст вия с очень аг -рес сив ной цен т раль ной зо ной. Воз мож ность та ко го ме то да удер жа ния бы ла по ка за на на мо де ли ру ю -щем ус т рой ст ве и мож но на де ять ся, что это экс пе -ри мен таль ное ис сле до ва ние по мо жет про де мон ст -рировать работу ГФЯР на более высоком уровне мощ но с ти.

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Толмачев В.Д., Соловьев С.В. Молниезащита. —

М.: МИЭЭ, 2005,

150 с.

Под редакцией — В.Л. Титова — кандидата технических наук, руководителя Управления по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по городу Москве.

Рекомендовано Ростехнадзором в качестве учебного пособия.

Справочное пособие содержит общие сведения, включающие в себя поражающие факторы молнии и последствия её воздействия. Дан краткий сравнительный анализ российских норма-

тивных требований к молниезащите с требованиями стандартов МЭК, VDE и DIN. Пособие предназначено для слушателей курсов повышения квалификации «Проектирование электроустановок зданий. Компьютерные технологии» и «Электробезопасность», а также может представлять ин те рес для спе ци а ли с тов про ект ных, эле к т ро -мон таж ных ор га ни за ций и спе ци а ли с тов экс плу -атирующих электроустановки зданий и сооружений. По ка за ны воз мож но с ти при ме не ния но вой немецкой технологии устройства молниезащиты, ком плек ту е мой из эле мен тов за вод ской го тов но с -ти, обес пе чи ва ю щие ми ни маль ный срок и тех но -ло гич ность ре а ли за ции.

Приведены тексты Инструкции по устройству мол ни е за щи ты зда ний, со ору же ний и про мы ш -ленных коммуникаций СО 153-34.21.122-2003 и Ин ст рук ции по ус т рой ст ву мол ни е за щи ты зда -ний и сооружений РД 34.21.122-87.

В пособии использованы материалы фирмы «OBO Bettermann».

гаииииа

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.