АДИАБАТИЧЕСКИ ИЗОЛИРОВАННАЯ АТОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к энергетике и атомной технике и может быть использовано при создании источников электроэнергии с ограниченными возможностями сбора тепла в окружающее пространство.

В соответствии со вторым законом термодинамики преобразование тепловой энергии в электрическую должно сопровождаться рассеянием в окружающую среду непреобразованной в электроэнергию теплоты термодинамического цикла.

Известны атомные электростанции, размещенные на Земле, на подводных и наводных кораблях, на космических аппаратах. Все они включают источник тепловой энергии ядерный реактор, систему преобразования тепловой энергии в электрическую, чаще всего паротурбинной схемы, и систему отвода непреобразованной части тепловой мощности для рассеивания ее в окружающее пространство.

В то же время существуют так называемые адиабатические изолированные источники электроэнергии, когда сброс тепловой мощности в окружающее пространство намного меньше мощности непреобразованного тепла термодинамического цикла. К таким источникам можно отнести установки с острым дефицитом охлаждающей воды и автономные системы, не допускающие использования внешних источников для отвода тепла, например, подземные атомные электростанции.

Известна адиабатически изолированная атомная электростанция на основе газотурбинной схемы преобразования энергии, термодинамический анализ параметров которой выполнен в [1] Она содержит источник тепла, например, в виде ядерного реактора, систему преобразования тепловой энергии в электрическую и систему отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла расходуемым хладагентом.

Ресурс и соответственно энерговыработка такой энергоустановки ограничен не ресурсом источника теплоты и системы преобразования энергии, а запасенным количеством расходуемого хладагента, например, воды. Такие электростанции обладают относительно большими габаритами и не допускают повторного включения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является адиабатически изолированная атомная электростанция [2] Атомная электростанция содержит источник тепловой энергии в виде ядерного реактора, систему преобразования тепловой энергии в электрическую и систему отвода из системы преобразования непреобразованной теплоты термодинамического цикла, причем система отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла снабжена тепловым аккумулятором.

Такая энергоустановка обладает большими габаритами, не всегда позволяет производить повторные пуски и ее создание требует больших капитальных затрат.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является снижение габаритов энергоустановки, а следовательно и капитальных затрат на ее создание.

Технический результат достигается тем, что в адиабатически изолированной атомной электростанции, содержащей источник тепловой энергии в виде ядерного реактора, систему преобразования тепловой энергии в электрическую и систему отвода от системы преобразования непреобразованной теплоты термодинамического цикла, снабженную тепловым аккумулятором, источник тепловой энергии в виде ядерного реактора и система преобразования тепловой энергии в электрическую выполнены в виде термоэмиссионного реактора-преобразователя со встроенными в активную зону термоэмиссионными преобразователями энергии (ТЭП), а система отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла выполнена в виде циркуляционного жидкометаллического контура. В качестве теплоносителя может быть использован эвтектический сплав натрий-калий или литий. При использовании лития может быть применен его изотоп литий-7, слабо активирующийся в реакторе.

На фиг. 1 представлена схема адиабатически изолированной атомной электростанции, на фиг. 2 поперечное сечение ТРП, на фиг. 3 разрез электрогенерирующей сборки.

Адиабатически изолированная атомная электростанция содержит термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) 1, в котором активная зона 2 набрана из термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС) 3, снаружи охлаждаемых теплоносителем 4, и отражателя 5, в котором размещены исполнительные органы системы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 6 с нейтронно-поглощающими накладками 7. Система отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла с прокачиваемым теплоносителем выполнена в виде циркуляционного контура 8 с насосом 9, который может быть электромагнитным. Система отвода тепла содержит также накопитель тепловой энергии (тепловой аккумулятор) 10, выполненный, например, в виде корпуса 11 с рабочим веществом 12.

Адиабатически изолированная атомная электростанция работает следующим образом.

В исходном состоянии все элементы электростанции находятся при температуре окружающей среды. Для пуска электростанции ТРП 1 выводится из подкритического состояния, для чего расположенные в отражателе 5 органы управления в виде поворотных барабанов 6 с поглощающими накладками 7 поворачиваются накладками 7 от активной зоны 2. Реактор становится критичным и его тепловая мощность поднимается до рабочего значения. Выделяющееся в топливных сердечниках 13 ЭГС 3 тепло передается эмиттерной оболочке 14, которая нагревается и начинает эмиттировать с поверхности электронный ток. Непреобразованная часть тепловой мощности с коллектора 15 через слой коллекторной изоляции 16 и корпус 17 снимается теплоносителем 4. ЭГС 3 в активной зоне 2 коммутируются последовательно-параллельно для набора требуемых значений напряжения и тока. Генерируемая в ТРП электроэнергия отводится потребителю с помощью токовыводов 18. Непреобразованная часть тепловой мощности снимается теплоносителем (или хладагентом) 4 системы 8 отвода тепла. Перекачка или циркуляция теплоносителя обеспечивается переключающим устройством 9, например, электромагнитным насосом. Непреобразованное тепло переносится в тепловой аккумулятор 10. Здесь происходит сначала нагрев рабочего вещества 12 теплового аккумулятора до температуры плавления, а затем и его расплавление. Рабочее вещество 12 выбирается таким образом, чтобы его температура плавления была выше температуры окружающей среды, но ниже предельно допустимой температуры теплоносителя (или хладагента) 4 и системы отвода тепла 8.

Допустимое время работы такой электростанции фактически определяется запасом рабочего вещества 12 теплового аккумулятора 10 и его удельными тепловыми характеристиками.

После расплавления всего рабочего вещества теплового аккумулятора 10 электростанция исчерпала свой ресурс и должна быть остановлена. Для этого реактор 1 глушится, циркуляция теплоносителя или хладагента 4 прекращается.

Если электростанция предназначена для многократного использования, то осуществляется выдержка, во время которой происходит постепенная, пусть небольшая, но конечная диссипация запасенной в тепловом аккумуляторе 10 тепловой энергии в окружающее пространство. При этом происходит затвердевание рабочего вещества 12 теплового аккумулятора 10, а затем и снижение его температуры, как впрочем и температур остальных узлов электростанции. Через какое-то время электростанция готова к повторному пуску, который осуществляется аналогично описанному.

Высокий уровень температуры сброса тепла ТРП позволяет выбрать рабочее вещество теплового аккумулятора с повышенной энергоемкостью и тем самым увеличить энергоемкость электростанции, а также сократить время паузы между пусками электростанции за счет повышенного температурного перепада между тепловым аккумулятором и окружающей средой.

Важным преимуществом предложенной электростанции является ее компактность. Предварительные оценки показали, что применение в качестве реактора и системы преобразования энергии одного ТРП уменьшает габариты всей электростанции по сравнению с турбинной схемой преобразования энергии примерно 10 раз. Это позволяет увеличить энергоемкость электростанции с теми же габаритами. Компактность термоэмиссионной электростанции позволяет собрать ее на заводе-изготовителе, обеспечить ее транспортировку в собранном виде и установить ее без специалистов высокой квалификации.

Использование: источники электроэнергии с ограниченными возможностями сброса непреобразованного тепла термодинамического цикла в окружающую среду. Сущность изобретения: источник тепловой энергии в виде ядерного реактора и система преобразования тепловой энергии в электрическую выполнены в виде термоэмиссионного реактора-преобразователя со встроенными в активную зону термоэмиссионными преобразователями энергии, а система отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла выполнена в виде циркуляционного жидкометаллического контура, в качестве рабочего вещества циркуляционного контура применен эвтектический сплав натрий/калий или литий, а для перекачки жидкометаллического теплоносителя применен электромагнитный насос. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Адиабатически изолированная атомная электростанция, содержащая источник тепловой энергии в виде ядерного реактора, систему преобразования тепловой энергии в электрическую и систему отвода от системы преобразования непреобразованной теплоты термодинамического цикла, снабженную тепловым аккумулятором, отличающаяся тем, что источник тепловой энергии в виде ядерного реактора и система преобразования тепловой энергии в электрическую выполнены в виде термоэмиссионного реактора-преобразователя со встроенными в активную зону термоэмиссионными преобразователями энергии, а система отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла выполнена в виде циркуляционного жидкометаллического контура. 2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего вещества циркуляционного контура применен эвтектический сплав натрий-калия. 3. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего вещества циркуляционного контура применен расплавленный литий. 4. Электростанция по п.3, отличающаяся тем, что в качестве лития применен изотоп лития-7. 5. Электростанция по пп.1 4, отличающаяся тем, что циркуляционный контур снабжен электромагнитным насосом.