Енергетична установка

Изобретение относится к области атомной энергетики, а более конкретно - к устройству атомных энергетических установок. Известен Лос-Аламосский гомогенный реактор (Ричард Стефенсон. Введение в ядерную технику. Госиздат технико-теоретической литературы. - М., 1956. - С.136, рис.31), содержащий ядерный котел (бак реактора), в который помещена рабочая среда, состоящая из смеси замедлителя и топлива, четыре управляемых кадмиевых стержня, регулирующи х реактивность реактора, систему водяного охлаждения, состоящую из трех тр уб из нержавеющей стали, трубу для помещения исследуемых образцов, проходящую через ядерный котел, графитовый отражатель нейтронов, биологическую защиту, преобразователь энергии, выполненный в виде теплообменника, состоящего из бака и змеевика, и два взаимозаменяемых контактных аппарата для рекомбинации кислорода и водорода (продуктов разложения воды под действием радиоактивного облучения) и превращения их в водяной пар. В реакторе использовался в качестве рабочей среды раствор обогащенного уранилнитрата в природной воде. Реактор предназначался в основном для экспериментальных целей и развивал мощность в 1944г. 6кВт, а после реконструкции в 1949 - 45кВт. Общими признаками для аналога и заявляемого устройства являются ядерный котел, отражатель нейтронов, преобразователь энергии, биологическая защита, а также отнесение аналога, как и заявляемого устройства, к одному типу энергетических установок, а именно гомогенному, в которых топливо помещено непосредственно в замедлитель и смешано с ним или растворено в нем. Получение требуемого технического результата при использовании аналога невозможно потому, что аналог имеет низкий КПД и представляет собой достаточно сложную (а значит, и менее надежную) конструкцию. Кроме того, в нем нельзя использовать в качестве топлива радиоактивные отходы атомных электростанций (АЭС) по причине малой реактивности последних. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа энергетическая установка, описанная в книге "Реакторостроение и теория реакторов" (Доклады советской делегации на международной конференции по мирному использованию атомной энергии, Женева, 1955. М.: Изд-во АН СССР, 1955. - С.131, рис.1а), Установка-прототип содержит ядерный котел (реактор), в который помещена рабочая среда, паропровод (подъемную трубу), разделитель для отделения пара от рабочей среды, устройство для очистки пара от радиоактивных примесей, инжектор, камеру сжигания содержащегося в паре гремучего газа, опускную трубу, преобразователь энергии, выполненный в виде теплообменника змеевикового типа, гидравлический затвор, пусковой электрический котел, подразумевающуюся биологическую защиту и паровую турбину. Для прототипа и заявляемого устройства общими являются следующие признаки: ядерный котел, паропровод, преобразователь энергии и биологическая защита. Получение требуемого технического результата при использовании прототипа невозможно, поскольку он, как и упомянутый выше аналог, имеет низкие КПД, надежность, достаточно сложен по конструкции и в нем нельзя использовать в качестве топлива радиоактивные отходы АЭС в связи с их малой реактивностью. В основу изобретения положена задача разработать такую энергетическую установку, в которой новое выполнение ядерного котла, паропровода и преобразователя энергии позволило бы, прежде всего, использовать в качестве топлива не только делящееся вещество, но и радиоактивные отходы АЭС, а также повысить ее КПД, надежность, технологичность и упростить конструкцию. Кроме того, за счет упомянутых усовершенствований решается задача по расширению потребительских свойств энергетической установки. Установка, при определенном подборе материалов, не требует обслуживания в течение всего срока эксплуатации. Ее можно использовать, помимо получения электроэнергии, для обогрева теплиц, животноводческих ферм, различных помещений, получения горячей воды, подогрева открытых футбольных полей и спортивных площадок, а также для подогрева взлетно-посадочных полос аэродромов и опасных участков шоссейных дорог с целью предотвращения их обледенения зимой и т.п. Поставленная задача решается следующим образом. В устройстве-прототипе применены ядерный котел, выполненный в виде бака реактора, паропровод, представляющий собой обычную трубу и преобразователь энергии - теплообменник змеевикового типа. В отличие от прототипа в заявляемое устройство введена тепловая труба, нагреваемый конец которой представляет собой ядерный котел, средняя часть-паропровод, а на теплоотводящий конец тепловой трубы установлен преобразователь энергии. Причем преобразователь энергии может быть выполнен в виде термоэлектрического генератора (для получения электроэнергии) или теплообменника. Но, в отличие от прототипа, теплообменника не змеевикового, а радиаторного типа и не только водяного, но и газового (в частном случае воздушного). Кроме того, в отличие от прототипа, топливо может быть помещено в герметичный контейнер, а уже последний - в теплоноситель, находящийся в нагреваемом конце тепловой трубы. При этом сама тепловая труба может иметь трансформатор теплового потока. В случае использования заявляемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в возможности утилизации радиоактивных отходов АЭС, повышении КПД энергетической установки, упрощении ее конструкции, повышении надежности, технологичности и безопасности. Между существенными признаками заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом имеется следующая причинно- следственная связь. Применение тепловой трубы вместо обычного паропровода значительно повышает КПД установки, так как тепловая труба имеет очень высокую теплопроводность (в несколько десятков раз большую теплопроводности меди) и малые потери тепла при его транспортировке. Последнее обстоятельство позволяет передавать тепло на значительные расстояния, что, в свою очередь, создает возможность помещения нагреваемого конца тепловой трубы (ядерного котла) глубоко под землей (50 - 100м) и тем повысить безопасность установки. Безопасность обеспечивается еще и тем, что тепловая труба абсолютно герметична и не требует обслуживания при своей эксплуатации. Тепловая труба совмещает в себе несколько узлов: ядерный котел - нагреваемый конец тепловой трубы, подъемную и опускную трубы. Это значительно упрощает конструкцию энергетической установки. Конструкцию установки упрощает и применение термоэлектрического генератора для получения электроэнергии, т.к. отпадает необходимость в паровой турбине, вращающей электрогенератор. Конструкция тепловой трубы позволяет применить в установке теплообменник радиаторного типа, который может иметь большую поверхность теплопередачи, чем змеевиковый, что способствует повышению ее КПД, а также технологичности. Кроме того, для улучшения теплообмена, радиатор может быть выполнен как теплоотводящий конец тепловой трубы (т.е. радиатор изготовляется полым, его полости сообщаются с тепловой трубой, а в них прокладывается фитиль). В тепловой трубе легко осуществить трансформацию теплового потока. Трансформатором теплового потока может служить переход от большего диаметра нагреваемого конца трубы к ее продолжению меньшего диаметра (и наоборот, в зависимости от необходимости получить большую или меньшую температуру пара теплоносителя в теплоотводящем конце по отношению к нагреваемому концу). Высокая теплопроводность тепловой трубы и возможность трансформации теплового потока позволяют использовать в энергетической установке в качестве топлива радиоактивные отходы АЭС, которые имеют меньшую реактивность, чем делящееся вещество . Еще большие возможности, в этом отношении, появляются при заключении радиоактивных отходов в герметичный контейнер и помещении последнего в теплоноситель в нагреваемом конце тепловой трубы. В этом случае роль замедлителя выполняют стенки контейнера, а теплоноситель может быть не обязательно водой, а жидкостью с гораздо меньшей температурой кипения, при этом (если теплоноситель не вода) отпадает необходимость в камере сжигания гремучей смеси. Применение контейнера повышает и технологичность установки: обращаться с радиоактивными веществами, заключенными в толстостенный герметичный контейнер, удобнее и безопаснее. Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено два варианта возможного построения энергетической установки. На фиг.1 приведен разрез энергетической установки гомогенного типа, в которой теплоноситель выполняет функцию замедлителя. Энергетическая установка по фиг.1 содержит теплоотводящий конец 1 тепловой трубы, радиатор 2, теплообменник 3, теплоизоляцию 4, тепловую тр убу 5, фитиль б, трансформатор теплового потока 7, топливо 8, теплоноситель 9, биологическую защиту 10, нагреваемый конец 11 тепловой трубы 5, отражатель нейтронов 12. На фиг.2 приведен разрез энергетической установки, в которой топливо заключено в герметичный контейнер. Энергетическая установка по фиг.2 содержит теплоотводящий конец 1 тепловой трубы, теплоизоляцию 4, тепловую тр убу 5, фитиль 6, топливо 8, теплоноситель 9, биологическую защиту 10, нагреваемый конец 11 тепловой трубы 5, герметичный контейнер 13, электрические провода 14, термоэлектрический генератор 15. Изобретение, например, реализуется следующим образом (фиг.1). В нагреваемый конец 11 тепловой трубы 5 помещена рабочая среда, представляющая собой смесь топлива 8 и жидкого теплоносителя 9, В качестве топлива могут использоваться радиоактивные отходы АЭС или делящееся вещество (например, 100-процентный или обогащенный уран и т.п.), а в качестве теплоносителя, выполняющего в данном случае функцию замедлителя, например, природная или тяжелая вода. В результате распада вещества топлива образуются радиоактивные излучения, которые отдают свою энергию теплоносителю 9. Для более полного взаимодействия радиоактивных излучений с теплоносителем может быть применен отражатель нейтронов 12 (например, из графита или бериллия). Теплоноситель нагревается и испаряется (может кипеть). Пар теплоносителя 9 поднимается по тепловой трубе 5 в ее теплоотводящий конец 1 и передает через радиатор 2 тепло воде, протекающей через теплообменник 3. В теплоотводящем конце 1 тепловой трубы 5 пар теплоносителя 9 конденсируется и по фитилю б возвращается в нагреваемый ее конец 11. В теплообменнике 3 тепловая энергия пара теплоносителя 9 преобразуется в тепловую энергию воды второго контура теплообмена и получается горячая вода, которая может использоваться для водяного отопления и других нужд. Таким же образом в теплообменнике 3 можно получать и пар. Теплообменник может быть газовым. В этом случае радиатор 2 обдувается газом (в частном случае воздухом), а нагретый газ используется, например, для целей отопления. При нормальных условиях эксплуатации гомогенный реактор является саморегулирующимся, благодаря температурному эффекту. По мере возрастания мощности реактора температура теплоносителязамедлителя повышается и плотность его уменьшается. В результате этого процесс взаимодействия топлива с теплоносителем становится менее интенсивным. Для уменьшения потерь тепла тепловую трубу желательно теплоизолировать теплоизоляцией 4, а для защиты людей - применить биологическую защиту 10. Трансформатор теплового потока 7 позволяет получить необходимую температур у в теплообменнике 3. В зависимости от того, какую именно температуру н ужно получить в теплообменнике, тепловая труба 5 может иметь переход соответствующи х диаметров, как от большего диаметра к меньшему, так и наоборот. В случае применения в установке воды в качестве теплоносителя, под действием радиоактивного облучения может происходить ее разложение на кислород и водород и образование гремучего газа, который будет присутствова ть в парах теплоносителя. Чтобы очистить пар теплоносителя 9 от гремучего газа, на выходе из нагреваемого конца 11 тепловой трубы 5 можно установить (как это сделано в аналогах) камеру сжигания или контактную камеру (у которой внутренние стенки облицованы асбестом, покрытым пластиной) и пропускать пар через такую камеру. При сжигании, либо при контакте с платиной, водород и кислород рекомбинируют и вы ходят из камеры в виде водяного пара. Поскольку такие камеры известны из устройства аналогов (не являются отличительными признаками заявляемого объекта) и не обязательны для рассматриваемой энергетической установки, на фиг.1 они не показаны. В случае необходимости подогрева взлетнопосадочных полос, аэродромов опасных участков шоссейных дорог и т.п. для предотвращения их обледенения зимой теплоотводящий конец 1 тепловой трубы 5 может быть выполнен в виде множества труб меньшего диаметра, которые располагаются горизонтально под поверхностью подогреваемых объектов. Изобретение по фиг.2 реализуется так же, как и было описано выше, но имеет свои особенности. Топливо 8 заключено в герметичный контейнер 13, который, в свою очередь, помещен в теплоноситель 9, находящийся в нагреваемом конце 11 тепловой трубы 5. Здесь функцию замедлителя выполняют стенки контейнера 13, а теплоноситель 9 может быть жидкостью с температурой кипения значительно более низкой чем у воды. При необходимости защиты внутренней поверхности контейнера 13 от гамма-излучений ее можно облицевать висмутом, который пропускает тепловые нейтроны и является экраном для гамма-лучей. На теплоотводящий конец тепловой трубы 5 установлен термоэлектрический генератор 15. Термоэлектрический генератор 15 преобразует тепловую энергию пара теплоносителя 9 в электрическую, которая выводится из генератора по электрическим проводам 14. Расчеты показывают, что если, например, сделать герметичный контейнер 13 из нержавеющей стали в виде полого шара с внешним диаметром 50см и внутренним - 25см и поместить в него топливо 8 (например, стронций90) активностью 106 Кюри, то при отборе тепла в 1 килокалорию в секунду внешняя поверхность контейнера нагревается до температуры +820°C. При более интенсивном отборе тепла температура будет ниже. Однако ее будет достаточно чтобы нагреть практически любой жидкий теплоноситель до температуры кипения.