BG4417U1 - Инсталация за термоядрен синтез - Google Patents

Abstract

Полезният модел ще намери приложение в енергетиката за получаване на електрическа енергия. В горивната камера (2) на инсталацията се извършва процес на термоядрен синтез на водород и кислород. Към горивната камера (2) са монтирани обратни клапани (5 и 6), а към тях са присъединени и съставни тръбопроводи (3 и 4) за доставка на кислород и на водород. Чрез тези тръбопроводи горивната камера (2) е свързана с електролизна инсталация (14) за производство на водород и кислород. Към горивната камера (2), в областта на обратните клапани (5 и 6), са монтирани електрически запалки (12 и 13) за възпламеняване на водорода и кислорода. Към тръбопроводите (3) за кислород и водород (4) са установени регулиращи клапани по налягане и температура - за кислорода (29) и регулиращ клапан за водорода (30), които в случая са механизми за регулиране и управление на реакциите и за защитата на инсталацията за термоядрен синтез. Регулиращите клапани (29 и 30) са подсигурени с дублиращи регулиращи клапани (31 и 32). Това създава условия за бързо (незабавно) спиране на реактора в случай на отказ на един от регулиращите клапани при авария, пожар, земетресение, наводнение или друго природно бедствие.

Description

Област на приложение

Полезният модел се отнася до инсталация за термоядрен синтез, която ще намери приложение в енергетиката за получаване на електрическа енергия.

Предшестващо състояние на техниката

Известно е, че термоядреният синтез (известен още и като ядрен синтез) е вид ядрена реакция, при която две или повече атомни ядра се сливат, образувайки по-тежко ядро. Реакцията се съпровожда с освобождаване или поглъщане на енергия, в зависимост от масите на участващите ядра, но най-често под термоядрен синтез се разбира синтез с участието на леки ядра, при което се отделя енергия.

Сливането на две ядра с маса, по-ниска от тази на желязото, е съпроводено с отделянето на енергия, докато сливането на ядра, които са по-тежки от желязото, е свързано с поглъщането на енергия, обратно на противоположния процес - ядрен разпад. В най-елементарния случай на водородно сливане, два протона трябва да са достатъчно близо, за да се превърне всеки от протоните в неутрон, образувайки деутерий. В по-сложния случай при сливане на тежки ядра механизмът на реакцията е различен, но резултатът е същият - получава се по-голямо ядро от по-малки.

Известни са също и конструкции на ядрени реактори за атомни електроцентрали (АЕЦ), при които се извършва верижна реакция на делене на ядрата на тежки метали - например уран и плутоний, което се използва за производство на топлинна енергия, която след това се преобразува в електрическа.

Съществуват и т.нар. двуконтурни инсталации на АЕЦ с воден енергиен реактор. (Маргулова Т. Х., Атомнме електрические станции, Москва „Вмсшая школа“, 1974).

Оборудването на първия контур на такава инсталация е разположено в херметично затворен обем, в който с помощта на изсмукващи вентилационни системи се поддържа налягане по-ниско от атмосферното.

По-важни компоненти на първия контур са: реактор и парогенератори, свързани с реактора с тръбопроводи и главни циркулационни помпи (ГЦП), създаващи принудителна циркулация на топлоносителя през активната зона (АЗ) на реактора и компенсатор на обема, който балансира обема на топлоносителя вода, и предпазни клапани. В реактора е разположено вътрешно реакторно устройство, състоящо се от кошница, в която са установени топлоотделящи възли, съдържащи то плоотделящи елементи, запълнени с горивото - уранов диоксид. Ядреното гориво е във вид на касети. В пространството между касетите циркулира вода от първия контур.

При бомбардиране на ядрата на урановия диоксид с топлинни неутрони се получава „верижна реакция“ и се отделя топлинна енергия. В резултат на „верижната реакция“ се получават продукти на деленето, които са различни химични елементи и са радиоактивни. Поради голямата радиоактивност първият контур се нарича още и радиоактивен.

Получената топлинна енергия в първия контур се отвежда към парогенератор, който генерира пара, която се подава по паропроводи към втория контур.

Във втория контур, който не е радиоактивен, е разположена турбина с турбогенератор, произвеждащ електрически ток, кондензатори за охлаждане на отработилата пара, подгреватели ниско налягане, деаератор за деаериране на кондензата и подгреватели високо налягане за подгряване на водния кондензат до температура на парогенераторите.

Вторият контур е предназначен да поеме топлинната енергия от първия контур, да преобразува тази топлинна енергия в кинетична енергия на въртене на парна турбина. В генератора тази енергия се преобразува в електрическа. Посредством открита разпределителна уредба (ОРУ) електрическата енергия се предава в електроенергийната система и след това към консуматорите.

За охлаждане на кондензаторите се използва вода от воден източник, която тече по циркулационен контур и няма допир с водата от първия контур. Обикновено това е брегова помпена станция на АЕЦ, от която по канали, водата се изпраща до АЕЦ, откъдето с помощта на помпи на циркулационна помпена станция водата се подава в кондензаторите на турбините.

Използването на АЕЦ с ядрени реактори с течение на годините е показало и някои проблеми, поважните от които са:

- ядрените реактори и процесите, извършвани при тях, са радиоактивни,

- технико-икономически проблеми, свързани със съхранението на горивото и отработилото такова,

- ядреното гориво е относително скъпо, което увеличава като цяло себестойността на електрическата енергия.

Едновременно с това се налага и търсенето на алтернативни източници на енергия, по-ефективни и по-безопасни, които да могат да работят, след известно преустройство, със съществуващите ядрени реактори или да използват части от тях.

Техническа същност на полезния модел

Задача на полезния модел е да се създаде конструкция на инсталация за термоядрен синтез, която да бъде преди всичко безопасна, но и съвместима с известните конструкции на ядрени реактори.

Предлаганата инсталация за термоядрен синтез е съставена от два затворени контура.

В първия контур са установени реактор с горивна камера, свързана чрез тръбопроводи и главни циркулационни помпи с един или повече парогенератори.

Парогенераторите са свързани чрез тръбопровод с турбина и с турбогенератор на електрически ток, разположени във втория контур, като към турбогенератора е присъединена електроенергийна система с консуматори.

Съгласно полезния модел, към горивната камера са монтирани обратни клапани, първият от които е свързан със захранващ съставен тръбопровод за подаване на кислород, вторият обратен клапан е свързан със захранващ съставен тръбопровод за подаване на водород, следващият - с тръбопровод, водещ към барботажния резервоар и обратен клапан, свързан с тръбопровод за отвеждане на кондензат. Двата съставни захранващи тръбопроводи са монтирани към горивната камера срещуположно един на друг. Двата съставни тръбопровода са свързани и към електролизна инсталация с установен към нея източник на прав ток.

Към двата захранващи съставни тръбопровода, в посока от електролизната инсталация към горивната камера, са монтирани последователно помпа за кислород и съответно помпа за водород, при което на входовете и изходите на двете помпи са установени вентили.

След това към двата захранващи съставни тръбопровода са монтирани резервоари за съхранение на водорода и съответно резервоар за съхранение на кислорода, а след тях - обратни клапани, съответно и помпи, на чиито входове и изходи са установени вентили, последвани от регулиращи клапани по налягане и температура - за кислорода и регулиращ клапан за водорода, които са подсигурени с дублиращи регулиращи клапани.

Следващият тръбопровод е свързан през предпазен клапан с барботажния резервоар и същевременно е наклонен под ъгъл от 45° спрямо дъното на барботажния резервоар, който е свързан през предпазен клапан със сепариращия резервоар.

Тръбопроводът за отвеждане кондензата е свързан с резервоара на електролизната инсталация.

Към горивната камера, в областта на обратните клапани за водород и кислород са монтирани електрически запалки за възпламеняване на водорода и кислорода.

При едно вариантно изпълнение горивната камера е с формата на сфера и е изработена от неръждаема стомана или титан.

Електролизната инсталация представлява резервоар с подкиселена вода, в който са разположени графитни електроди, свързани с източник на прав ток, при което на отрицателните електроди на електролизната инсталация се отделя водород, а на положителните електроди - кислород.

Предимствата на полезния модел се изразяват в това, че се заменя източника на топлинна енергия, който е получен чрез термоядрена реакция с получен такъв при термоядрен синтез при запазване на основните елементи на съществуващата инсталация за термоядрена реакция. При това се намалява себестойността на получаваната електрическа енергия.

С предлаганата инсталация за термоядрен синтез се избягват редица проблеми, които са характерни за ядрените реактори като опасността от радиоактивно замърсяване с неизползвано, както и с отработило ядрено гориво.

Едновременно с това инсталацията за термоядрен синтез може да бъде разработена като модулна т.е. към един реактор могат да се включат множество турбини с големи мощности например по 1000 MW или от 2000 MW.

Пояснение на приложените фигури

Примерно изпълнение на полезния модел е показано на приложените фигури, където:

на фигура 1 е представена принципна схема на инсталация за термоядрен синтез, свързана с електропреносна система и консуматори на електрическа енергия;

на фигура 2 е показана горивната камера на инсталацията за термоядрен синтез;

на фигура 3 е показана схема на инсталация за термоядрен синтез;

на фигура 4 - схема на електролизна инсталация.

Примерно изпълнение на инсталацията за термоядрен синтез

Принципна схема на предлагания полезен модел, с която се обяснява и принципът му на действие, е показана на приложените фигури.

Инсталацията за термоядрен синтез, както и конструкцията на известния ядрен реактор, е съставена от два контура. Първият контур съдържа основно реактор 1, свързан чрез тръбопроводи с парогенератор (ПГ), като на единия тръбопровод е монтирана главна циркулационна помпа (ГЦП). Оборудването на първия контур е разположено в херметично затворен обем - фиг. 1.

Вторият контур съдържа турбина, свързана чрез паропровод с парогенератора от първия контур и с турбогенератор, свързан с електроенергийната система. Този контур включва още система от кондензатори, за чието охлаждане се използва вода от воден източник, която тече по трети циркулационен контур и няма допир с водата от първия контур - брегова помпена станция, от която по канали, водата се изпраща до АЕЦ, откъдето помпите на циркулационна помпена станция подават водата към кондензаторите на турбините.

Вторият контур е предназначен да поеме топлинната енергия от първия контур и да преобразува тази топлинна енергия в кинетична енергия на въртене на парната турбина. В турбогенератора тази енергия се преобразува в електрическа. Посредством открита разпределителна уредба (ОРУ) електрическата енергия се предава в електроенергийната система и от нея към консуматорите.

Съгласно полезният модел, в активната зона на реактора 1 е монтирана горивна камера 2, с формата на сфера с отвори и която е изработена от неръждаема стомана или титан за да се избегнат корозионните процеси и самата горивна камера 2 да бъде устойчива на процесите, извършващи се в нея - фиг. 2. В горивната камера 2 се извършва процес на термоядрен синтез на водород и кислород, чиито газови молекули, след като се съединят в горивната камера 2 се превръщат във вода. Взаимодействието на кислород с водород до получаване на водни пари е екзотермичен процес с отделяне на топлина. При този процес не се отделят вредни емисии в околната среда.

В случая ядрените топлоотделящи елементи, които са характерни за ядрените реактори, са заменени с горивна камера 2, в която се извършва термоядрен синтез.

Към горивната камера 2 са монтирани обратни клапани, а към обратните клапани са присъединени и съставни захранващи тръбопровода за доставяне на кислород 3 и на водород 4. Обратните клапани са: за кислород 5, който е свързан с тръбопровода 3 за подаване на кислород, за водород 6, свързан с тръбопровода 4 за подаване на водород, обратен клапан 7, свързан с тръбопровод 8, водещ към барботажен резервоар 9 и обратен клапан 10 за отвеждане на кондензат посредством тръбопровод 11. Двата захранващи тръбопровода 3 и 4 са срещуположно разположени в горивната камера 2.

Към горивната камера 2, в областта на обратните клапани за подаване на кислород 5 и на водород 6, са монтирани електрически запалки 12 и 13.

Чрез захранващите съставни тръбопроводи 3 и 4 горивната камера 2 е свързана с електролизна инсталация 14 - фиг. 3 и фиг. 4. Електролизната инсталация 14 представлява резервоар с подкиселена вода, в който са разположени по подходящ начин графитни електроди 15, свързани с източник на прав ток 16. Графитните електроди 15 са монтирани в метални балони, означени - съответно със 17 и 18. На отрицателните електроди се отделя водород, а на положителните електроди - кислород. Газовите молекули на водорода и кислорода представляват горивото на инсталацията за термоядрен синтез.

Към металните балони 17 и 18 са монтирани тръбопроводите 3 към общ колектор за кислород 19 и тръбопровод 4 към общ колектор за водород 20. Последователно към съставните захранващи тръбопроводи 3 и 4, на всеки един от тях, в посока към горивната камера 2, са монтирани помпа за кислород 21 и съответно помпа 22 за водород. На входовете и изходите на двете помпи 21 и 22 са установени вентили за тръбопровода за кислород 3 и вентили за тръбопровода 4 за водород.

След това към тръбопроводите 3 и 4 са предвидени и резервоари за съхранение на необходимото количество водород 23 и резервоар за кислород 24.

След резервоарите 23 и 24 са монтирани обратни клапани съответно 25 и 26 и помпи 27 и 28, на чиито входове и изходи са установени вентили. След това към тръбопроводите 3 за кислород и водород 4 в посока към горивната камера 2 са установени регулиращи клапани по налягане и температура - за кислорода 29 и регулиращ клапан за водорода 30, които в случая играят ролята на механизми за регулиране и управление на реакциите и за защитата на инсталацията за термоядрен синтез.

Регулиращите клапани 29 и 30 са подсигурени с дублиращи регулиращи клапани 31 и 32. Това създава условия за бързо (незабавно) спиране на реактора в случай на отказ на един от регулиращите клапани при авария, пожар, земетресение, наводнение или друго природно бедствие.

При процес на термоядрен синтез от двата захранващи тръбопровода 3 и 4 в горивната камера 2 постъпват водород и кислород под налягане 3,5 atm (0,35 MPa). В момента на постъпване на водорода и кислорода се включват електрическите запалки 12 и 13. Потоците от водород и кислород се срещат в сферата и се извършва термоядрен синтез. При достигане на налягане от 4 atm (0,4 MPa) клапаните за водород 6 и кислород 5 се затварят и се отваря предпазния клапан 7, водещ към барботажния резервоар 9, при което температурата и налягането в горивната камера 2 падат. При достигане на налягане от 3 atm (0,3 MPa) и температура 550°С (823°К) барботажният клапан 7 се затваря и се отварят клапаните за водород 6 и кислород 5. Постъпва нова порция водород и кислород и се извършва термоядрен синтез. Процесът е повтарящ се и саморегулиращ се по налягане и температура.

Тръбопроводът 8 е свързан през предпазен клапан 33 с барботажния резервоар 9. Тръбопроводът 8 е наклонен под ъгъл от 45° спрямо дъното на барботажния резервоар 9, така че барботажният резервоар 9 да поема енергията на водните пари и реактивната сила. Барботажният резервоар 9 е запълнен до 2/3 от обема му с вода.

След това парата се насочва към сепариращ резервоар 34, който е свързан през предпазен клапан с барботажния резервоар 9. Водата в барботажния резервоар 9 се изпарява. В сепариращия резервоар 10 се извършва отделяне на парата от водния кондензат.

Тръбопроводът за кондензата 11 e свързан през помпа 35 с вентили към резервоара на електролизната инсталация 14.

Парата от сепариращия резервоар 10 се отправя към цилиндъра ниско налягане (ЦНН) на турбината - непоказан на приложената фигура, а горещият воден кондензат - към подгревателите ниско налягане (ПНН) за повишаване на температурата на кондензата, идващ от кондензатора на турбината на централата и насочващ се към парогенераторите (ПГ), като температурата на кондензата трябва да достигне тази от парогенераторите.

Така представената инсталация за термоядрен синтез може да се осъществи с известно преоборудване от такава на ядрен реактор при използване на стандартни технологии. Същевременно предлаганата конструкция на инсталацията е безопасна и не замърсява околната среда.

Claims (1)

1. Инсталация за термоядрен синтез, състояща се от два затворени контура, в първия от които са установени реактор с горивна камера, като към реактора е свързан чрез тръбопроводи и главни циркулационни помпи парогенератор, който пък е свързан с турбина и с турбогенератор на електрически ток от втория контур, като към турбогенератора е присъединена електроенергийна система с консуматори, характеризираща се с това, че - към горивната камера (2) са монтирани обратни клапани (5, 6, 7 и 10), като единият обратен клапан (5) е свързан със съставен захранващ тръбопровод (3) за подаване на кислород, следващият обратен клапан (6) е свързан със съставен захранващ тръбопровод (4) за подаване на водород, следващият обратен клапан (7) е свързан с тръбопровод (8), водещ към барботажен резервоар (9), запълнен с вода и обратен клапан (10), свързан с тръбопровод (11) за отвеждане на кондензат, като съставните захранващи тръбопроводи (3 и 4) са срещуположно разположени в горивната камера (2) и са свързани към електролизна инсталация (14) с установен към нея източник на прав ток (16), - като към захранващите съставни тръбопроводи (3 и 4), в посока от електролизната инсталация (14) към горивната камера (2) са монтирани последователно помпа за кислород (21) и съответно помпа (22) за водород, при което на входовете и изходите на двете помпи (21 и 22) са установени вентили, резервоари за съхранение на водорода (23) и съответно резервоар за съхранение на кислорода (24), а след това са монтирани обратни клапани съответно (25 и 26) и помпи (27 и 28), на чиито входове и изходи са установени вентили, последвани от регулиращи клапани по налягане и температура - за кислорода (29) и регулиращ клапан за водорода (30), които са подсигурени с дублиращи регулиращи клапани (31 и 32), - при което тръбопроводът (8) е свързан през предпазен клапан (33) с барботажния резервоар (9) и е наклонен под ъгъл от 45° спрямо дъното на барботажния резервоар (9), като барботажният резервоар (8) е свързан със сепариращ резервоар (34) през предпазен клапан, - а тръбопроводът (11) за отвеждане кондензата е свързан с резервоара на електролизната инсталация (14), - при което към горивната камера (2), в областта на обратните клапани (5 и 6), са монтирани електрически запалки (11 и 12) за възпламеняване на водорода и кислорода