Двухконтурная ядерная энергетическая система с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре Российский патент 2023 года по МПК G21C1/04 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании энергетических установок с ядерными реакторами.

Известен способ эксплуатации ядерного реактора с органическим теплоносителем установки АРБУС (арктическая блочная установка), который предусматривает организацию прокачки органического водородсодержащего теплоносителя по замкнутому контуру через активную зону ядерного реактора, вывод реактора на мощность и работу на мощности с отводом вырабатываемой энергии теплоносителем замкнутого контура (Алексенко Ю.Н., Гаврилин А.И., Гатауллин Н.Г. и др. Опыт эксплуатации реакторной установки АРБУС. // Сб. докл. семинара «Перспективы использования ядерных реакторов для теплоснабжения городов и промышленных предприятий». Димитровград, НИИАР, 1978, с. 24-44). К органическим водородсодержащим теплоносителям относятся жидкости, содержащие в своей структуре углерод и водород.

В качестве органического водородсодержащего теплоносителя в замкнутом контуре реактора используются различные виды органической жидкости, гидростабилизированный газойль, гидротерфинил и др.

Использование водородсодержащих органических жидкостей в качестве теплоносителя в ядерных реакторах основано на том, что эти жидкости обладают рядом преимуществ по сравнению с другими видами теплоносителей. В частности:

- низкая активация теплоносителя позволяет обслуживать контур с теплоносителем даже во время работы реактора;

- высокая температура кипения органического теплоносителя при атмосферном давлении позволяет избегать его вскипания при случайной потере давления в контуре;

- низкое рабочее давление в замкнутом контуре существенно снижает вероятность разрыва оборудования и трубопроводов;

- коррозионная пассивность теплоносителя к конструкционным материалам позволяет использовать в качестве последних дешевые алюминиевые сплавы и углеродистые стали, применять в составе первого контура серийное нефтяное оборудование и арматуру без предъявления к ним специальных требований;

- сравнительная простота обслуживания, ремонта и управления реактором позволяет максимально автоматизировать установку, снизить требования к квалификации обслуживающего персонала и ограничить его количество.

Все вместе это дает уникальные возможности по обеспечению ядерной и радиационной безопасности, простоте эксплуатации и снижению капитальных затрат на сооружение, что особенно привлекательно при использовании в отдаленных районах.

Известен способ эксплуатации ядерного реактора с органическим водородсодержащим теплоносителем установки АТУ-15×2,

предусматривающий охлаждение активной зоны за счет циркуляции органического теплоносителя (дитолилметан) по замкнутому контуру (Токарев Ю.И., Цыканов В.А., Рюмин В.П. и др. АТУ-15×2 - атомная станция теплоснабжения для отдаленных районов. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика и техника ядерных реакторов. 1978. Вып. 1/21, ч. 1, с 112-116).

Недостатком данного технического решения является использование в качестве органического водородсодержащего теплоносителя в замкнутом контуре реактора дитолилметана, молекулы которого под действием длительного ионизирующего излучения и температуры могут распадаться, образуя легкие, средние и тяжелые фракции. Последние, взаимодействуя между собой, образуют сверхтяжелые молекулы, которые осаждаются на теплопередающих поверхностях в виде отложений (эффект фаулинга), что приводит к ухудшению охлаждения твэлов, их очистки и требуют замены теплоносителя.

Известно, что в последние годы в эксплуатации появились новые типы органических водородсодержащих жидкостей - диатермических масел (масел-теплоносителей), представляющие собой обычные нефтяные дистиллятные масла селективной очистки - это продукт глубокой переработки нефти с последующей дистилляцией, которые обладают низкой коррозионной агрессивностью и способностью вызывать образование различных отложений внутри циркуляционной системы. В настоящее время на отечественном рынке представлены как российские, так и импортные водородсодержащие диатермические масла (масла-теплоносители), например, ЛУКОЙЛ ТЕРМО ОЙЛ, Mobiltherm, ShellHeatTransferoilS2, Башнефть АМТ-300, Газпромнефть МТ-300 и др. Температурный диапазон использования различных диатермических масел как теплоносителей варьируется от -115°С до 410°С. Масла-теплоносители используются в закрытых циркуляционных системах (Стахив В.И. Обзор и сравнительная характеристика масел-теплоносителей, применяемых в России / В.И. Стахив, Л.Н. Багдасаров, В.И. Стахив // Молодой ученый. - 2016. - №2 (106). - С.73-76).

Использование органической водородсодержащей жидкости диатермического масла в качестве теплоносителя для подвода тепловой энергии в различных технологических процессах в промышленности является более предпочтительным нагреву паром, так как позволяет получить высокие температуры при низких давлениях, что удешевляет стоимость основного оборудования. Вследствие высокой гибкости таких систем многие промышленные технологии, разработанные в последнее десятилетие (производство полиэфирных смол, синтетических смол, термопластических материалов и т.д.) используют масло при температурах до 340°С.

Известно устройство энергетической системы на основе установки органического цикла Ренкина, включающее в себя масленый котел, жидкостной контур с промежуточным теплоносителем, соединяющий котел и установку на основе органического цикла Ренкина, представляющую собой паровой замкнутый контур с органическим водородсодержащим рабочим телом, содержащим турбину на валу с электрогенератором, испаритель, конденсатор, теплообменник-рекуператор, насос и систему охлаждения установки на основе органического цикла Ренкина (Соболь В.А. Мини-ТЭЦ в Речице: передовые технологии в области использования местных видов топлива // Журнал «Энергетическая Стратегия», №2(20), 2011, с. 57-59). В качестве рабочего тела энергетической установки могут применяться различные виды водородсодержащих веществ, например, пентан.

Преимуществом установки на основе органического цикла Ренкина является ее возможность работы от любого источника тепловой энергии, например, сжигания традиционных видов топлива, солнечной энергии, а также ядерной энергии.

Известна энергетическая система на основе установки органического цикла Ренкина, представляющей собой паровой замкнутый контур с органическим рабочим телом, содержащим турбину на валу с электрогенератором и систему охлаждения с теплообменником и циркуляционным насосом, при этом система снабжена источником тепловой энергии для нагрева рабочего тела установки органического цикла Ренкина для счет сжигания попутного газа (Патент РФ №2573541, опубл. от 20.01.2016, Бюл. №2).

Однако данное техническое решение не может быть применено при использовании в качестве источника тепловой энергии ядерного реактора.

Известно, что вода (оксид водорода) имеет формулу H₂O и представляет собой простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом. Вода относится к неорганическим водородсодержащим веществам, поскольку она является бинарным неорганическим соединением, молекула которого состоит из двух атомов водорода и одного - кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Вода - это единственное вещество, которое существует в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (Химия воды: Аналитическое обеспечение лабораторного практикума: учеб. пособие / В.И. Аксенов, Л.И. Ушакова, И.И. Ничкова; [под общ. ред. В.И. Аксенова]; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал, федер. ун-т. - Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2014. - С. 5-6).

Однако вода не относится к органическим водородсодержащим жидкостям, поскольку не содержит в своей структуре атомы углерода.

Известно, что в ядерных энергетических установках с двухконтурными водо-водяными реакторами типа ВВЭР, включающих в себя связанные между собой реактор, жидкостной и паровой контуры, при этом в качестве рабочего тела жидкостного контура, проходящего через реактор и предназначенного для надежного и постоянного охлаждение активной зоны реактора, используется вода под высоким давлением, а в качестве рабочего тела парового контура вода и пар, производимый за счет тепла, получаемого в реакторе и используемого в паровой турбине для производства электроэнергии, (Патент РФ №2742730, опубл. от 10.02.2021, Бюл. №4).

Недостатком водо-водяных ядерных реакторов типа ВВЭР (реакторами с водой под давлением) является работа парового контура (паропроизводящей установки) при прокачке через ее парогенераторы теплоносителя жидкостного контура в виде воды высокого давления, что предъявляет к конструкции и эксплуатации жидкостного контура особые требования работы сосудов под высоким давлением.

Известно, что основной недостаток ядерных энергетических установках на основе водо-водяных реакторов (реакторов с водой под давлением) с паротурбинными установками заключается в низких параметрах пара парового контура на выходе из парогенераторов: давление около 3,0-3,7 МПа и температура 285-300°С, что вызвано ограничением температуры теплоносителя жидкостного контура - воды для сохранения ее в жидкой фазе. В результате КПД таких установок составляет около 20%. Из-за низких начальных параметров пара парового контура проточная часть паровой турбины работает в области влажного пара. Кроме низкого КПД цикла, при низких начальных параметрах пара из-за высокой влажности снижается внутренний КПД и возникает интенсивная капельно-ударная эрозия лопаток турбоагрегатов (Патент РФ №2757737, опубл. от 21.10.2021, Бюл. №30).

Для устранения перечисленных недостатков необходимо применять промежуточную сепарацию и промежуточный перегрев пара, что приводит к значительному услужению схемы ядерных энергетических установок на основе водо-водяными реакторов и требует применения дополнительного объемного оборудования.

Известна двухконтурная ядерная энергетическая система с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре, содержащая водо-водяной ядерный реактор, жидкостной (первый) контур с циркуляционным насосом и водородсодержащим рабочим телом в виде воды под высоким давлением, агрегатное состояние которой в процессе работы не меняется, паровой (второй) контур с водородсодержащих рабочим телом в виде воды, агрегатное состояние которой в процессе работы меняется, включающий парогенератор, паровую турбину с электрогенератором на одном валу, конденсатор и подающий жидкостной насос, при этом жидкостной контур проходит через ядерный реактор и парогенератор парового контура (А.А. Симонова, М.А. Безгин, К.С. Улямаев, А.В. Левин // Молодой ученый. - 2018. - №35 (221). - С. 5-7). Водородсодержащий теплоноситель (вода под высоким давлением) жидкостного (первого) контура забирает тепло от активной зоны реактора и передает в парогенераторе водородсодержащему рабочему веществу (воде) парового (второго) контура, при этом рабочее тело парового контура переходит в состояние пара, и пар этого контура используют для работы паровой турбины.

Недостатками данного технического решения являются необходимость создания высокого давления воды в жидкостном контуре, отбирающего тепло от активной зоны реактора, для исключения парообразования воды в активной зоны реактора, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик ядерного реактора и трубопроводов жидкостного контура и повышению вероятности разрушения трубопроводов жидкостного контура, отсутствие системы охлаждения жидкостного контура энергетической установки при выходе из строя парового контура, что может привести к созданию аварийной ситуации с охлаждением ядерного реактора, при этом использование воды в паровом контуре приводит к интенсивной коррозии лопаток паровой турбины и низкому кпд из-за небольшого давления пара при выходе из парогенератора.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в повышении эффективности и надежности работы ядерной энергетической системы, снижении аварийности работы ядерного реактора, массогабаритных характеристик ядерного реактора и трубопроводов жидкостного контура ядерной энергетической системы.

Для реализации данного технического результата двухконтурная ядерная энергетическая система с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре, включающая в себя ядерный реактор, жидкостной контур с циркуляционным насосом и водородсодержащим рабочим телом, агрегатное состояние которого в процессе работы не меняется, паровой контур с водородсодержащих рабочим телом, агрегатное состояние которого в процессе работы меняется, содержащий парогенератор, паровую турбину с электрогенератором на одном валу, конденсатор и подающий жидкостной насос, при этом жидкостной контур проходит через ядерный реактор и парогенератор парового контура, снабжена органической водородсодержащей жидкостью в качестве водородсодержащего рабочего тела жидкостного контура, органическим водородсодержащим веществом в качестве водородсодержащего рабочего тела парового контура, теплообменником-охладителем, размещенным в жидкостном контуре ядерной энергетической системы, единой системой охлаждения с регулирующими вентилями, позволяющими обеспечить независимую подачу охлаждающей среды через конденсатор парового контура и теплообменник-охладитель жидкостного контура.

В качестве водородсодержащего рабочего тела жидкостного контура используется органическая водородсодержащая жидкость в виде диатермического масла.

В качестве водородсодержащего рабочего тела парового контура используется органическое водородсодержащее вещество в виде пентана.

В качестве охлаждающей среды единой системы охлаждения используется вода.

Введение в состав двухконтурной ядерной энергетической системы с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре, водородсодержащей органической жидкости, в виде диатермического масла, в качестве водородсодержащего рабочего тела жидкостного контура, органического водородсодержащего вещества в качестве водородсодержащего рабочего тела парового контура, теплообменника-охладителя, размещенного в жидкостном контуре ядерной энергетической системы, системы охлаждения с регулирующими вентилями, позволяющей обеспечить параллельную и независимую подачу охлаждающей среды через конденсатор парового контура и теплообменник-охладитель жидкостного контура, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности снижения давления в ядерном реакторе и жидкостном контуре энергетической системы, повышения температуры рабочего тела жидкостного контура (без парообразования) рабочего тела в активной зоны реактора, а соответственно, и повышение давления пара в паровом контуре при выходе его выходе из парогенератора, за счет замены рабочего тела жидкостного контура с применения воды (неорганической водородсодержащей жидкости) на использование органической водородсодержащей жидкости, в виде диатермического масла, что обеспечивает повышение эффективности, надежности работы ядерной энергетической системы и снижение массогабаритных характеристик ядерного реактора и трубопроводов жидкостного контура энергетической системы, а также, снижения аварийности работы ядерного реактора за счет применения в паровом контуре ядерной энергетической системы органического водородсодержащего вещества пентана вместо воды, что приводит к уменьшению коррозии и разрушения лопаток паровой турбины, и единой системы охлаждения с регулирующими вентилями, позволяющими обеспечить независимую подачу охлаждающей среды через конденсатор парового контура и теплообменник-охладитель жидкостного контура, что исключает возможность создания аварийной ситуации с охлаждением ядерного реактора при выходе из строя парового контура.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема двухконтурной ядерной энергетической системы с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре.

Двухконтурная ядерная энергетическая система с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре включает в себя ядерный реактор 1, жидкостной (первый) контур 2 с циркуляционным насосом 3 и теплообменником-охладителем 4. В качестве водородсодержащего рабочего тела жидкостного контура 2 энергетической системы используется водородсодержащая органическая жидкость в виде диатермического масла, агрегатное состояние которого в процессе работы не меняется.

В состав двухконтурной ядерной энергетической системы также входит паровой (второй) контур 5, содержащий парогенератор 6, паровую турбину 7 с электрогенератором 8 на одном валу, конденсатор 9 и подающий жидкостной насос 10. В качестве водородсодержащего рабочего тела парового контура 5 используется органическое водородсодержащее вещество в виде пентана, агрегатное состояние которого в процессе работы меняется.

Жидкостной контур 2 энергетической системы проходит через ядерный реактор 1 и парогенератор 6 парового контура 5.

В состав двухконтурной ядерной энергетической системы также входит единая система охлаждения 11 с регулирующими вентилями 12 и 13, позволяющими обеспечить независимую подачу охлаждающей среды через конденсатор 9 парового контура 5 и теплообменник-охладитель 4 жидкостного контура 2 энергетической системы. В качестве охлаждающей среды системы охлаждения может использоваться вода.

Работа предлагаемой двухконтурной ядерной энергетической системы с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре осуществляется следующим образом.

В ядерном реакторе 1, за счет реакции деления ядерного топлива, выделяется тепловая энергия. Тепловая энергия в активной зоне реактора 1 передается водородсодержащему рабочему телу жидкостного контура 2 диатермическому маслу, который циркулирует по контуру 2 за счет работы циркуляционного насоса 3. Современные водородсодержащие диатермические масла (масла-теплоносители), например, ЛУКОЙЛ ТЕРМО ОЙЛ, Mobiltherm, ShellHeatTransferoilS2, Башнефть АМТ-300, Газпромнефть МТ-300 и др., имеют температурный уровень нагрева до 410°С без их кипения, то есть без изменения агрегатного состояния и фазового перехода в пар. Это позволяет нагревать диатермическое масло до высоких температур без повышения давления в контуре 2, что обеспечивает возможность значительного снижения массогабаритных характеристик ядерного реактора и трубопроводов жидкостного контура энергетической установки, в отличии прототипа, где используется вода высокого давления для исключения парообразования воды в активной зоны реактора. При этом органическая водородсодержащая жидкость в виде диатермического масла свое агрегатное состояние в процессе работы энергетической системы не меняет и постоянно остается в жидком состоянии.

Горячее диатермическое масло жидкостного контура 2 передает тепловую энергию рабочему телу парового контура 5 энергетической системы в парогенераторе 6. После теплопередачи, охлажденное диатермическое масло жидкостного контура 2 вновь поступает в ядерный реактор 1 с помощью циркуляционного насоса 3.

Горячее диатермическое масло жидкостного контура 2 передает тепловую энергию рабочему телу парового контура 5 энергетической системы с рабочим телом пентаном. Передача тепловой энергии происходит в парогенераторе 6, где жидкий пентан за счет тепловой энергии нагревается, переходит в пар, а пар пентана перегревается до высокой температуры и давления. Это позволяет повысить давления пара пентана в паровом контуре 5 при выходе его выходе из парогенератора 6, что обуславливает повышение термодинамического КПД парового контура 5, а, соответственно, и эффективности энергетической системы в целом.

Из парогенератора 6 парового контура 5 перегретый пар пентана под высоким давлением поступает в паровую турбину 7 с электрогенератором 8 на одном валу. За счет вращения турбины 7 в электрогенераторе 8 вырабатывается полезная электрическая энергия для потребителей (на рис. не показаны).

Применение парового контура 5 ядерной энергетической системы, с водородсодержащим рабочим телом в виде органического водородсодержащего вещества пентана, вместо воды, позволяет уменьшить коррозию лопаток паровой турбины 7 и снизить аварийность работы ядерного реактора 1.

Проходя паровую турбину 7, пары пентана снижают давления и поступают в конденсатор 9, где конденсируются за счет охлаждения от охлаждающей среды системы охлаждения 11. Затем жидкий пентан подается вновь в парогенератор 6 с помощью подающего жидкостного насоса 10.

Соответственно, водородсодержащее рабочее тела парового контура 5 в виде пентана меняет свое агрегатное состояние дважды за один оборот по контуру 5.

Единая система охлаждения 11 с регулирующими вентилями 12 и 13 позволяет обеспечивать независимую подачу охлаждающей среды через конденсатор 9 парового контура 5 и теплообменник-охладитель 4 жидкостного контура 2 энергетической системы. В качестве охлаждающей среды системы охлаждения может использоваться вода.

При обычной работе ядерной энергетической системе регулирующий вентиль 13 единой системы охлаждения 11 закрыт, регулирующий вентиль 12 открыт и охлаждающая вода поступает только в конденсатор 9 для теплообмена и конденсации пара пентана парового контура 5, обеспечивая его устойчивую работу и выработку электроэнергии в электрогенераторе 8.

При аварийной обстановке парового контура 5 регулирующий вентиль 12 закрывается, регулирующий вентиль 13 системы охлаждения 11 открывается и охлаждающая вода поступает только в теплообменник-охладитель 4 жидкостного контура 2 для теплообмена и охлаждения диатермического масла контура 2. Это исключает возможность создания аварийной ситуации с охлаждением ядерного реактора 1 при выходе из строя оборудования парового контура 2.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Алексенко Ю.Н., Гаврилин А.И., Гатауллин Н.Г. и др. Опыт эксплуатации реакторной установки АРБУС. // Сб. докл. семинара «Перспективы использования ядерных реакторов для теплоснабжения городов и промышленных предприятий». Димитровград, НИИАР, 1978, с. 24-44.

2. Токарев Ю.И., Цыканов В.А., Рюмин В.П. и др. АТУ-15×2 - атомная станция теплоснабжения для отдаленных районов. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика и техника ядерных реакторов. 1978. Вып. 1/21, ч. 1, с 112-116.

3. Стахив В.И. Обзор и сравнительная характеристика масел-теплоносителей, применяемых в России / В.И. Стахив, Л.Н. Багдасаров, В.И. Стахив // Молодой ученый. - 2016. - №2 (106). - С. 73-76.

4. Соболь В.А. Мини-ТЭЦ в Речице: передовые технологии в области использования местных видов топлива // Журнал «Энергетическая Стратегия», №2(20), 2011, с. 57-59.

5. Патент РФ №2573541, опубл. от 20.01.2016, Бюл. №2.

6. Химия воды: Аналитическое обеспечение лабораторного практикума: учеб. пособие / В.И. Аксенов, Л.И. Ушакова, И.И. Ничкова; [под общ. ред. В.И. Аксенова]; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал, федер. ун-т. - Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2014. - С. 5-6.

7. Патент РФ №2742730, опубл. от 10.02.2021, Бюл. №4.

8. Патент РФ №2757737, опубл. от 21.10.2021, Бюл. №30.

9. А.А. Симонова, М.А. Безгин, К.С. Улямаев, А. В. Левин // Молодой ученый. - 2018. - №35 (221). - С. 5-7 - прототип.

Изобретение относится двухконтурной ядерной энергетической системе с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре. В активной зоне реактора 1 выделившаяся энергия деления ядер передается водородсодержащему рабочему телу жидкостного контура 2 диатермическому маслу, циркулирующему по жидкостному контуру 2 за счет работы циркуляционного насоса 3. Горячее диатермическое масло жидкостного контура 2 передает тепловую энергию рабочему телу парового контура 5 с рабочим телом пентаном. Из парогенератора 6 парового контура 5 перегретый пар пентана под высоким давлением поступает в паровую турбину 7 с электрогенератором 8 на одном валу. За счет вращения турбины 7 в электрогенераторе 8 вырабатывается электрическая энергия. Проходя паровую турбину 7, пары пентана снижают давление и поступают в конденсатор 9, где конденсируются за счет охлаждения охлаждающей средой системы охлаждения 11. Затем жидкий пентан подается вновь в парогенератор 6 с помощью подающего жидкостного насоса 10. Единая система охлаждения 11 с регулирующими вентилями 12 и 13 обеспечивает независимую подачу охлаждающей среды через конденсатор 9 парового контура 5 и теплообменник-охладитель 4 жидкостного контура 2 ядерной энергетической системы. Техническим результатом является повышение эффективности и надежности работы ядерной энергетической системы, снижение аварийности работы ядерного реактора, массогабаритных характеристик ядерного реактора и трубопроводов жидкостного контура ядерной энергетической системы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухконтурная ядерная энергетическая система с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре, включающая в себя ядерный реактор, жидкостный контур с циркуляционным насосом и водородсодержащим рабочим телом, агрегатное состояние которого в процессе работы не меняется, паровой контур с водородсодержащим рабочим телом, агрегатное состояние которого в процессе работы меняется, содержащий парогенератор, паровую турбину с электрогенератором на одном валу, конденсатор и подающий жидкостный насос, при этом жидкостный контур проходит через ядерный реактор и парогенератор парового контура, отличающаяся тем, что снабжена органической водородсодержащей жидкостью в виде диатермического масла в качестве водородсодержащего рабочего тела жидкостного контура, органическим водородсодержащим веществом в качестве водородсодержащего рабочего тела парового контура, органическим водородсодержащим веществом в виде пентана в качестве водородсодержащего рабочего тела парового контура, теплообменником-охладителем, размещенным в жидкостном контуре ядерной энергетической системы, единой системой охлаждения с регулирующими вентилями, позволяющими обеспечить независимую подачу охлаждающей среды через конденсатор парового контура и теплообменник-охладитель жидкостного контура.

2. Двухконтурная ядерная энергетическая система с водородсодержащими рабочими телами в каждом контуре по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве охлаждающей среды единой системы охлаждения используется вода.