ПОДЗЕМНЫЙ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2014 года по МПК G21H1/06 

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных источников с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованном различными полупроводниковыми материалами, и может использоваться в энергетике.

Известен комплекс теплоснабжения, описанный в книге Бермана Э. «Геотермальная энергия», М.: «Мир», 1978 г. (с.299, фиг.6.16, схема со вторичным теплоносителем).

Известный комплекс содержит эксплуатационную скважину, теплообменник, с контуром вторичного теплоснабжения с изобутаном, турбину с генератором, систему сброса геотермальной жидкости.

Недостатком известного комплекса является низкий процент использования тепла, т.к. вторичным теплоносителем является изобутан, за счет нагрева которого получают электроэнергию, а геотермальную, еще горячую воду сбрасывают, частично использовав для теплосети.

Известен комплекс теплоэлектроснабжения и обработки отходов, описанный в книге Дворова И.М. «Глубинное тепло земли». М.: «Наука», (см. Геотермальная станция с теплообменником, стр.110, рис.27).

Известный комплекс содержит эксплуатационную геотермальную скважину, теплообменник с контуром вторичного теплоносителя, турбину с генератором, конденсатор пара, насос и систему обработки отходов.

Недостатком известного комплекса является снижение температурных и упругих параметров пара перед турбиной, пониженный коэффициент полезного действия, узкий круг обрабатываемых отходов.

Известен комплекс теплоэлектроснабжения и обработки отходов производства, описанный в одноименном патенте РФ №16799 по кл. G21H 1/00, заявлено 17.08.2000 г., опубликовано 10.02.2001 г., и выбранный в качестве прототипа.

Известный комплекс теплоэлектроснабжения и обработки отходов производства содержит эксплуатационную геотермальную скважину, теплообменник, контур вторичного теплоносителя, турбину с генератором, конденсатор пара, насос и систему обработки отходов и отличается тем, что в него введены нагнетательная и наблюдательная скважины, насос выполнен дозировочным, выход эксплуатационной скважины связан с турбосепаратором, который соединен с генератором, один из выходов турбосепаратора соединен с входом теплообменника, в качестве вторичного теплоносителя которого выбрана потребляемая вода, теплообменник содержит выход потребляемой воды и выход термальной воды, который через первый дозировочный насос соединен с входом нагнетательной скважины, второй выход турбосепаратора связан с сетчатым сепаратором, выход которого связан с турбогенератором, последовательно с турбогенератором расположен конденсатор пара, выход которого соединен с входом первого дозировочного насоса, система обработки отходов содержит контейнер жидких радиоактивных отходов, соединенный через второй дозировочный насос с входом нагнетательной скважины, в наблюдательной скважине расположены приборы контроля за нагнетательной скважиной и приборы управления дозировочными насосами, при этом расстояние между эксплуатационной скважиной и нагнетательной скважиной удовлетворяет условию

$$\frac{R_{эн}}{R_{вл}}\ge z$$ ,

где R_эн - расстояние между нагнетательной и эксплуатационной скважинами; R_вл - радиус зоны влияния эксплуатационной скважины, а наблюдательная скважина расположена в зоне влияния нагнетательной скважины.

В известном источнике преобразователем энергии служит геотермальная скважина, и нагнетательная скважина служит для закачки в нее радиоактивных отходов и их реагирования с гидротермальной средой, в результате чего постадийно происходит осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов, аморфного кремнезема, а также окислов и карбонатов, благодаря чему происходит сорбция радиоактивных материалов и образование нерастворимых соединений.

Недостатком известного комплекса является его невысокая эффективность, обусловленная тем, что главным источником энергии служит геотермальная энергия, усложняющая преобразование ее в электрическую, а радиоактивные отходы просто нейтрализуются, а не используются как самостоятельный источник электроэнергии. Кроме того, такой комплекс занимает весьма значительное наземное и подземное пространство.

Задачей является повышение эффективности энергетического комплекса при уменьшении занимаемой площади.

Поставленная задача решается тем, что в подземном ядерно-энергетическом комплексе, содержащем несколько скважин, в стволе одной из которых размещены жидкие радиоактивные материалы или отходы (ЖРО), подвергаемые взаимодействию с реагентной средой, преобразователь энергии и устройство вывода энергии, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ стволы скважин выполнены наклонными, имеющими У-образную форму и сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, при этом стволы скважин обсажены стальными трубами, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами, в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, использованы размещаемые в стволах скважин, матрицы, представляющие собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, устройством вывода энергии служит трансформатор, соединенный выходом с накопителем энергии.

Выполнение стволов скважин наклонными У-образной формы, сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, в совокупности с обсадкой стволов скважин стальными трубами, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами и использованием в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, размещаемых в стволах скважин, матриц, представляющих собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, дает возможность получить большое количество электрической энергии при достаточно простой, не занимающей много места, конструкции и эффективно использовать ядерные отходы.

Технический результат - получение большого количества энергии при весьма простой и безопасной конструкции.

Заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как выполнение скважин наклонными У-образной формы, сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, обсадка стволов скважин стальными трубами, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами, использование в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, размещаемых в стволах скважин, матриц, представляющих собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного технического результат, поэтому он считает, что заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс может найти широкое применение в энергетике, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Изобретение иллюстрируется чертежами, где показаны на:

фиг.1 - общий вид комплекса сбоку под землей;

фиг.2 - внешний вид комплекса сбоку;

фиг.3 - схема размещения матриц и ЖРО в стволах комплекса.

Подземный ядерно-энергетический комплекс (фиг.1-3) содержит наклонные скважины 11-1n (где n - целое число) и придающие им У-образную форму наклонные скважины 2l-2i. При этом скважины 1 сходятся нижней частью в забое 3 центральной скважины, где расположен центральный ствол 4 и образовано искусственное хранилище 5, соединяющее все стволы между собой. При этом стволы всех скважин обсажены стальными трубами 6, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами 7. В одном из стволов 1l размещены жидкие радиоактивные отходы или жидкое радиоактивное топливо 8; при этом во всех стволах размещены матрицы 9. Матрицы 9 представляют собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах 9. Они служат для ЖРО реагентной средой, одновременно являющейся преобразователем энергии. С матриц 9 электрический ток снимается через трансформатор 10 и далее накапливается на накопителе 11 (ионисторе или батареях).

Практически подземный ядерно-энергетический комплекс может быть выполнен следующим образом.

На глубину 3000 метров пробурен роторным способом центральный ствол 4 скважины диаметром 300 мм.

К забою центральной скважины 4 под углом 30-45° пробурены две или более наклонные скважины 11 -In в зависимости от мощности батареи.

От устья центральной скважины 4 на «оптимальном» для технологического оборудования расстоянии, пробурены две или более скважин 2, соединяющие центр наклонных стволов к забою.

В забое центральной скважины образуется искусственное хранилище 5 по запатентованному способу (патенты №2430312, №97814).

В хранилище сходятся все наклонные стволы скважин 1. Стволы 1 и 2 обсажены стальными трубами 6, ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами 7.

Внутрь стволов скважин 1, 2, 4 вставляют и опускают от отметки 3 км до отметки 1 км от поверхности земли матрицы 9 - устройства для превращения энергии радиоактивных излучений, содержащихся в жидких радиоактивных отходах (ЖРО), в электрический ток.

Матрица 9 представляет собой, например, совокупность диэлектрических ячеек, в которых размещены полупроводниковые вещества, образующие последовательно соединенные контактами аноды и катоды (см. патент РФ №2130658) либо закрепленные на одном основании полупроводниковые кристаллы с созданными внутри областями дырочной и электронной проводимости, контактирующие с радиоактивными изотопами (см. патент РФ №90612).

По форме матрица 9 выполнена в виде объемного элемента диаметром 200 мм с внутренними стенками, проходящими через центр. Общая площадь матриц начинается от нижнего предела в 110000 м² и заканчивается верхним пределом, зависящим от мощности батареи.

Заявляемый комплекс работает следующим образом.

В одну из боковых скважин 1 вливается радиоактивное топливо 8 общим объемом от 500 м³ или более, такое как Ni-63, тритиевая вода (³Н₂О), называемая сверхтяжелой, или любое другое радиоактивное вещество, излучающее заряженные частицы, в т.ч. и жидкие радиоактивные отходы (ЖРО).

При попадании радиоактивного излучения на полупроводниковый элемент в нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), которая приводит к возникновению электрического тока (патент РФ №2130657). Таким образом, при взаимодействии радиоактивного вещества 8 и матриц 9 в последних возникает электрический ток.

Предполагаемая мощность на 1 м² равна 50 Ватт в час или более. Предполагаемая мощность всей батареи от 2 МВт до 10 МВт в час. Матрицы 9 имеют выводы 10 для подключения к трансформатору или к потребителю электроэнергии.

Электрический ток поступает на поверхностные аккумулирующие элементы 11, в качестве которых могут использоваться ионисторы через предварительную систему преобразования, для дальнейшего преобразования и подачи к потребителю (согласно патенту №) на гелио-геотермическую электростанцию.

В сравнении с прототипом заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс является более эффективным по мощности и занимаемой площади.

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных источников и может использоваться в энергетике. Подземный ядерно-энергетический комплекс содержит наклонные У-образно расположенные скважины. Скважины сходятся нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой. Стволы всех скважин обсажены стальными трубами и противорадиационными экранами. В одном из стволов размещены жидкие радиоактивные отходы (ЖРО) или жидкое радиоактивное топливо. В стволах размещены матрицы, представляющие собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах. С матриц электрический ток снимается через трансформатор и далее накапливается на накопителе (ионисторе или батареях). Технический результат - повышение эффективности использования ядерных отходов при уменьшении площади энергетического комплекса, упрощение конструкции комплекса. 3 ил.

Подземный ядерно-энергетический комплекс, содержащий несколько скважин, в одной из которых размещены жидкие радиоактивные материалы или отходы (ЖРО), подвергаемые взаимодействию с реагентной средой, преобразователь энергии и устройство вывода энергии, отличающийся тем, что скважины выполнены наклонными, имеющими У-образную форму и сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, при этом стволы скважин обсажены стальными трубами и дополнительными противорадиационными экранами, в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, использованы размещаемые в стволах скважин матрицы, представляющие собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, устройством вывода энергии служит трансформатор, соединенный выходом с накопителем энергии.