ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК G21D5/00 G21D5/08 

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано при разработке и создании ядерных энергетических установок, например транспортных, а конструкция барабана, предложенная в изобретении, может применяться и в других тепловых турбинных двигателях, использующих ленты или спирали с эффектом памяти формы.

Известна ядерная энергетическая установка, содержащая ядерный реактор, теплообменник и механическое устройство, преобразующее энергию пара в механическую (см. Патент ЕПВ N 0442756 от 21.08.91 г., МКИ 5 G 21 D 9/00). Использование пара в системе второго контура приводит к необходимости работы реактора при высоких параметрах первого контура. Кроме того ограничения по массогабаритным характеристикам присуще, например, транспортным энергоустановкам, приводят к необходимости повышения энергонапряженности активной зоны, что снижает надежность энергоустановки и усложняет ее конструкцию.

Снижение параметров первого контура может быть обеспечено при использовании мартенситного двигателя. Известен тепловой турбинный двигатель Хомма (см. книгу "Сплавы с эффектом памяти формы" К.Ооцука, К.Симидзу, Ю.Судзуки и др. / под ред. Фунакубо Х.: Пер. с японск. - М.: Металлургия, 1990, с. 177-179, а также Хомма Т. - Нихон киндзоку гаккай кайхо, Bull. Jap. Inst. Metalls, 1985, V. 24, N 1, p. 20-25. Пер. ГПНТБ N 86/44971). Однако в связи со сложностью конструкции и с низким коэффициентом полезного действия эти двигатели не нашли применения в ядерных энергетических установках.

Известна ядерная энергетическая установка, содержащая реактор, теплообменник первого контура, системы и устройства, обеспечивающие ее работу, и тепловой двигатель. (См. книгу Шеинцева Е.А. "Электроэнергетические системы атомных судов" - СПб.: Агентство "Игрек", 1993, с. 5-7). Данное устройство принято за прототип.

Недостатком прототипа является сложность конструкции и невысокая надежность работы установки, связанные с наличием отдельных наносов второго контура, высокими параметрами первого контура (температура и давление) и высокой энергонапряженностью активной зоны, приводящей также к снижению ресурса.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение следующих технических результатов:
- повышение надежности работы ядерной энергетической установки путем изменения ее конструкции, обеспечивающей перекачивание теплоносителя второго контура и контура охлаждения без использования отдельных наносов;
- повышение эффективности и ресурса энергетической установки за счет изменения принципа преобразования энергии, снижения параметров первого контура, энергонапряженности активной зоны и упрощения конструкции.

Для достижения указанных технических результатов в известной ядерной энергетической установке, содержащей реактор, теплообменник первого контура, системы и устройства, обеспечивающие ее работу, и тепловой двигатель, последний выполнен в виде двух барабанов, расположенных один над другим с возможностью вращения и кинематически соединенных мартенситной лентой, причем валы барабанов выполнены полыми для прохода теплоносителя второго контура и контура охлаждения через соответствующие барабаны, а внутри барабанов валы выполнены утолщенными с одной стороны от торца барабана с разрывом полости вала заглушкой в конце утолщенной части вала у другого торца барабана, при этом в утолщенной части вала выполнены радиальные отверстия, соединяющие полость вала и круговой зазор, образованный цилиндрической поверхностью барабана и утолщенным валом, с возможностью обеспечения перекачивания теплоносителя, соответственно, второго контура и контур охлаждения при вращении барабанов за счет центробежной силы.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема конструктивного исполнения предлагаемого изобретения.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема барабана мартенситного двигателя.

Ядерная энергетическая установка содержит ядерный реактор 1, теплообменник 2, мартенситный двигатель 3 и соединительные трубопроводы 4. Мартенситный двигатель состоит из малого ("горячего") барабана 5, большого ("холодного") барабана 6, мартенситной ленты 7. При этом, валы 8 барабанов 5 и 6 выполнены полыми, опираются на подшипники 9 и имеют с обеих сторон барабанов специальные муфты 10 для подачи/приема воды в/из вала 8.

Конструкции верхнего 6 и нижнего 5 барабанов аналогичны.

Барабаны состоят из корпуса 11 цилиндрической формы и полого вала 8, который в пределах корпуса барабана 11 имеет разрыв (заглушку полости) 12. Внутри корпуса барабана 11 от одной его торцевой стенки до разрыва (заглушки полости) 12 вал 8 выполнен утолщенным таким образом, что между утолщенным валом 8 и корпусом 11 имеется кольцевой зазор 13, соединенный с полостями обоих концов вала 8, входящими в корпус барабана 11. Соединение с полостью вала 8 с утолщением на конце осуществлено через радиально расположенные отверстия 14 изогнутой формы (по типу центробежного насоса).

Теплообменник 2, нижний барабан 5 со своим валом 8 и часть соединительных трубопроводов 4 образуют замкнутый второй контур, в котором циркулирует теплоноситель второго контура 15.

Верхний барабан 6 со своим валом 8 и частью соединительных трубопроводов 4 образуют контур охлаждения, который заполнен теплоносителем контура охлаждения 16, например забортной водой для транспортной судовой ядерной энергетической установки.

Ядерная энергетическая установка работает следующим образом.

Тепло, выделяемое в ядерном реакторе 1, через теплообменник 2 передается теплоносителю второго контура 15. Теплоноситель второго контура 5 циркулирует под воздействием центробежных сил, вызванных вращением нижнего барабана 5. От теплообменника 2 теплоноситель второго контура 12 через соединительный трубопровод 4 и специальную муфту 10 попадает в полость вращающегося вала 8 нижнего барабана 5 со стороны, имеющей утолщение. Далее теплоноситель второго контура 15 через отверстия 14 попадает в кольцевой зазор 13, где через корпус барабана 11 отдает тепло мартенситной ленте 7 в области соприкосновения ее с корпусом барабана 11. При этом теплоноситель второго контура 15 охлаждается и последовательно через полость вала 8 (с противоположной стороны от входа в барабан 5), через специальную муфту 10 и через соединительный трубопровод 4 возвращается в теплообменник 2, где опять нагревается.

Одновременно с циркуляцией теплоносителя второго контура 15 происходит движение теплоносителя контура охлаждения 16. Последний движется под воздействием центробежных сил, вызванных вращением верхнего барабана 6. Теплоноситель контура охлаждения через соединительный трубопровод 4 и специальную муфту 10 попадает в полость вращающегося вала 8 верхнего барабана 6 со стороны, имеющей утолщение. Далее теплоноситель контура охлаждения 16 через отверстия 14 попадает в кольцевой зазор 13, где через корпус барабана 11 нагревается, забирая тепло от мартенситной ленты 7 в области ее соприкосновения с корпусом барабана 11. Затем теплоноситель контура охлаждения 16 последовательно через полость вала 8 (с противоположной стороны от входа в барабан 6). Через специальную муфту 10 и через соединительный трубопровод 4 удаляется.

Под воздействием нагревания на нижнем барабане 5 происходит "растягивание" мартенситной ленты 7, а под действием охлаждения на верхнем барабане 6 происходит "стягивание" мартенситной ленты 7, что вызывает эффект перемещения ленты по обе стороны от оси, соединяющей барабаны, за счет чего и возникает крутящий момент. Начальный крутящий момент может быть создан посредством автономного пускателя или за счет неравномерности нагрева и охлаждения ленты на барабанах, всегда имеющей место в реальных условиях. Полезная энергия отводится от ядерной энергетической установки через вал 8 верхнего барабана 6.

Техническая возможность реализации указанного устройства подтверждается опытом эксплуатации подобных тепловых двигателей и расчетом, так, при тепловой мощности реактора, равной 40 МВт, КПД, равном 10%, и частоте вращения вала 2500 об./мин размеры и вес мартенситного двигателя составляют около 4,0 • 4,0 • 5,0 (h) м и 2100 кг соответственно (для мартенситной ленты из нитинола).

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит повысить надежность и эффективность работы ядерной энергетической установки, а также упростить ее конструкцию, путем изменения принципа преобразования энергии в тепловом двигателе (где происходит прямое преобразование тепловой энергии в механическую), обеспечивающего снижение параметров первого контура (для работы мартенситного двигателя необходимым и достаточным условием является температурный перепад 60 градусов, что позволяет иметь температуру первого контура, не превышающую 100 градусов, и, соответственно, атмосферное давление, при условии, что параметры охлаждающей среды не превышают 30 градусов). Одновременно с этим предлагаемая конструкция барабана обеспечит перекачивание теплоносителей второго контура и контура охлаждения без использования отдельных насосов, и может применяться и в других тепловых турбинных двигателях, использующих ленты или спирали с эффектом памяти формы, для упрощения их конструкции. Кроме того за счет существенного снижения массогабаритных характеристик такой энергетической установки по сравнению с паротурбиной, а также за счет упрощения реакторной установки (например, отсутствие системы компенсации давления и т. п.) может быть существенно снижена энергонапряженность активной зоны.

Сущность: ядерная энергетическая установка содержит реактор, теплообменник первого контура, системы и устройства, обеспечивающие ее работу, и тепловой двигатель. Тепловой двигатель выполнен в виде двух барабанов, соединенных мартенситной лентой. Валы барабанов выполнены полыми для прохода теплоносителя второго контура и контура охлаждения через соответствующие барабаны, а внутри барабанов валы выполнены утолщенными с одной стороны от торца барабана с заглушкой в конце утолщенной части вала у другого торца барабана. При этом в утолщенной части вала выполнены радиальные отверстия, соединяющие полость вала и круговой зазор, образованный цилиндрической поверхностью барабана и утолщенным валом, с возможностью обеспечения перекачивания теплоносителя второго контура и контура охлаждения при вращении барабанов за счет центробежной силы. 2 ил.

Ядерная энергетическая установка, содержащая реактор, теплообменник первого контура, системы и устройства, обеспечивающие ее работу, и тепловой двигатель, отличающаяся тем, что тепловой двигатель выполнен в виде двух барабанов, расположенных один над другим с возможностью вращения и кинематически соединенных мартенситной лентой, причем валы барабанов выполнены полыми для прохода теплоносителя второго контура и контура охлаждения через соответствующие барабаны, а внутри барабанов валы выполнены утолщенными с одной стороны от торца барабана с разрывом полости вала заглушкой в конце утолщенной части вала у другого торца барабана, при этом в утолщенной части вала выполнены радиальные отверстия, соединяющие полость вала и круговой зазор, образованный цилиндрической поверхностью барабана и утолщенным валом, с возможностью обеспечения перекачивания теплоносителя соответственно второго контура и контура охлаждения при вращении барабанов за счет центробежной силы.