Потенциал для высокотемпературных ядерных реакторов с воздушным охлаждением

Гарри Валентайн имеет диплом инженера и опыт работы в области экономики свободного рынка. Он провел обширные исследования в области транспортной энергии в течение 20 лет.

• Участник с 2005 года
• Добавлено 258 элементов, просмотрено 130 072 раза.

• 31 марта 2009 г. 9 июня 2015 г., 22:27 по Гринвичу
• 3997 просмотров

Технология производства ядерной энергии претерпела эволюцию от топливных стержней и тяжелой воды до более новых конструкций реакторов, которые можно охлаждать легкой водой, а в последнее время — газом. В Китае и США проводится много исследований с использованием высокотемпературных реакторов с газовым охлаждением (HTR), основанных на постоянно развивающейся технологии модульных реакторов с шаровым слоем (PBMR). Передовые исследования технологии PBMR в Китае сосредоточены как на версиях с урановым, так и на ториевом топливе, которые включают охлаждение реакторов с помощью гелия под давлением, циркулирующего в турбине замкнутого цикла.

Преимущество гелия состоит в том, что его теплоемкость или удельная теплоемкость в 5,1708 раз выше, чем у воздуха при одинаковом весе и температуре (БТЕ/фунт-R или кДж/кг-K).Он имеет коэффициент удельной теплоемкости 1,66 по сравнению с 1,4 для воздуха. Этот более высокий коэффициент удельной теплоемкости позволяет силовой турбине извлекать больше работы из эквивалентного массового расхода гелия (кг/сек) по сравнению с воздухом. Он также имеет газовую постоянную, которая в 7,23707 раз больше, чем у воздуха.

Эта газовая постоянная дает преимущество в таких приложениях, как дирижабли, поскольку она соответствует плотности воздуха, в 7,23707 раз превышающей плотность гелия при одинаковом давлении и температуре, в результате чего гелий, захваченный внутри оболочки дирижабля, создает большую плавучесть. Когда более высокая плотность воздуха делится на его более низкую теплоемкость по сравнению с гелием, результат равен (7,23707)/(5,1708) = 1,3996, что означает, что при одинаковом давлении, температуре и объемном расходе воздух будет иметь на 39,96% больше тепла. емкость, чем у гелия, для отвода тепла от высокотемпературного реактора.

Эволюция конструкции ядерных реакторов предполагает, что реакторы PBMR-HTR с газовым охлаждением в конечном итоге могут охлаждаться воздухом, азотом или углекислым газом. Исследователи искали методы, с помощью которых можно было бы решить проблему воспламеняемости реакторов с галечными слоями, что открывает возможности для их охлаждения с помощью сжатого воздуха. Высокотемпературный ядерный реактор можно охлаждать эквивалентным объемом гелия, воздуха, азота или даже углекислого газа, прокачиваемым через реактор при том же давлении. Эквивалентный объем воздуха будет иметь плотность, в 7,23707 раз превышающую плотность гелия, и на 39,96% большую теплоемкость для охлаждения реактора. Азот можно извлекать из атмосферного воздуха и обеспечивать сравнимые с воздухом характеристики.

Одноступенчатая турбина замкнутого цикла:

Можно сравнить воздух (или азот) с гелием в теоретическом ядерном реакторе с газовым охлаждением, который работает до 950 ° C (1223 K), при этом газ нагревается до 1170 K с передачей тепла газу с эффективностью 95 процентов.Для сравнения используется одноступенчатая турбина замкнутого цикла с окончательным охлаждением морской водой с газом, охлажденным до 47 C или 320 K. Одиночный осевой компрессор и одиночная турбина вращаются на общем валу и обе работают при соотношении давлений семь к одному с 87-процентной изоэнтропической эффективностью.

Одноступенчатая турбина замкнутого цикла, извлекающая тепло из газоохлаждаемого высокотемпературного реактора (ВТР), может работать на воздухе (или азоте) при той же температуре, давлении и объемном расходе, что и гелий. Воздух (или азот) может охлаждать реактор, в котором может работать газотурбинный двигатель, а тепло выхлопных газов поддерживает работу установки термического опреснения. Последний выхлоп турбины будет охлаждаться океанской водой перед повторным сжатием сжатого воздуха или газа в цикле производства электроэнергии. Турбинные двигатели с замкнутым циклом могут обеспечивать широкий диапазон производительности при высокой эффективности за счет изменения давления в системе во много раз выше или ниже атмосферного между выхлопом турбины низкого давления и входом компрессора низкого давления.

Многоступенчатая турбина замкнутого цикла:

Технология HTR с воздушным или азотным охлаждением может обеспечить более высокую эффективность за счет работы двухконтурного газотурбинного двигателя, который включает доохлаждение между компрессорами низкого и высокого давления, повторный нагрев газа между турбинами высокого и низкого давления и рекуперацию выхлопных газов. тепла в рекуперативном теплообменнике. Соотношение давлений в системе девять к одному может работать с двухступенчатым сжатием с использованием комбинированных компрессоров и турбин с соотношением давлений три к одному и 90-процентным изоэнтропическим КПД. Теоретическая производительность такой системы представлена ​​в следующей таблице.

Гелий имеет преимущество перед воздухом в одноступенчатой ​​турбине простого цикла, работающей без рекуперативного теплообменника.Добавление такого теплообменника повышает эффективность турбины замкнутого цикла, работающей на воздухе или азоте и отводящей достаточное количество тепла выхлопных газов для поддержания работы термической опреснительной установки. Воздух (или азот) может работать так же эффективно, как рабочее тело в многоступенчатой ​​турбине замкнутого цикла. В такой турбине между компрессорами будет использоваться доохладитель; повторно нагревать газ между его турбинами и использовать рекуперативный теплообменник для повышения эффективности. Выхлопные газы все еще будут достаточно горячими, чтобы поддерживать работу термической опреснительной установки.

Очищенный и отфильтрованный атмосферный воздух или азот при различных давлениях будут рециркулировать через турбомашины замкнутого цикла высокотемпературного реактора с воздушным охлаждением (ВТР). Большая часть воздуха или азота останется в системе, а резервный запас будет храниться на месте в больших резервуарах. Использование газа из системы хранения для охлаждения реактора снижает риск повреждения турбомашин или загрязнения теплообменных поверхностей. Паровые турбины на атомной электростанции с паровым приводом могут быть повреждены и подвергнуты эрозии из-за крошечных высокоскоростных капель насыщенного пара, разрушающих поверхностный материал лопаток турбины.

Будущие перспективы:

Развивающееся развитие высокотемпературных реакторов с газовым охлаждением может в конечном итоге позволить использовать сжатый воздух или азот в качестве охлаждающей среды, а также в качестве рабочей жидкости, приводящей в движение турбины. Воздух и азот имеют очень похожие тепловые свойства и тепловые отношения и могут использоваться для охлаждения ядерных реакторов после того, как будет решена проблема воспламеняемости топлива для модульных реакторов с галечным слоем. Такая разработка позволила бы эксплуатировать ядерные реакторы с газовым охлаждением в странах, испытывающих дефицит гелия. Выхлопное тепло таких электростанций может поддерживать работу термических опреснительных установок в странах, которые нуждаются в дополнительной электроэнергии и испытывают нехватку питьевой воды для своего населения.

Исследования и разработки модульных реакторов с газовым охлаждением (гелием) и галечным слоем ведутся в Китае, аналогичные исследования проводятся в США. Успехи в этих исследованиях могут в конечном итоге привести к разработке реакторов, которые можно охлаждать воздухом, азотом или даже углекислым газом под давлением. Во всех случаях дополнительный газ может храниться в подземных кавернах и перемещаться в реактор и из него по мере необходимости. Технология модульных реакторов с галечным слоем может работать как на уране, так и на тории, при этом торий более распространен, а отработанный продукт менее летуч.