RU2086035C1

RU2086035C1 - Adiabatically isolated nuclear power plant

Info

Publication number: RU2086035C1
Application number: RU95114230A
Authority: RU
Inventors: В.В. Синявский; В.Д. Юдицкий
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Прикладные научные разработки"
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1995-08-07
Publication date: 1997-07-27

Abstract

FIELD: power supplies with limited discharge of thermodynamic-cycle nonconverter heat into surrounding atmosphere. SUBSTANCE: power plant has heat energy source, that is, nuclear reactor, and heat-to-electricity conversion system, that is, thermionic conversion reactor with thermionic energy converters built in reactor core; thermodynamic- cycle nonconverter heat discharge system is made in the form of liquid- metal circulating loop carrying eutectic sodium/potassium or lithium alloy as working medium and electromagnetic pump is used to handle liquid-metal coolant. EFFECT: improved design. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и атомной технике и может быть использовано при создании источников электроэнергии с ограниченными возможностями сбора тепла в окружающее пространство. The invention relates to energy and nuclear technology and can be used to create sources of electricity with limited ability to collect heat in the environment.

В соответствии со вторым законом термодинамики преобразование тепловой энергии в электрическую должно сопровождаться рассеянием в окружающую среду непреобразованной в электроэнергию теплоты термодинамического цикла. In accordance with the second law of thermodynamics, the conversion of thermal energy into electrical energy must be accompanied by the dissipation into the environment of the heat of the thermodynamic cycle that is not converted into electricity.

Известны атомные электростанции, размещенные на Земле, на подводных и наводных кораблях, на космических аппаратах. Все они включают источник тепловой энергии ядерный реактор, систему преобразования тепловой энергии в электрическую, чаще всего паротурбинной схемы, и систему отвода непреобразованной части тепловой мощности для рассеивания ее в окружающее пространство. Known nuclear power plants located on Earth, on submarines and surface ships, on spacecraft. All of them include a source of thermal energy, a nuclear reactor, a system for converting thermal energy into electrical energy, most often a steam turbine circuit, and a system for diverting an unconverted part of the thermal power to dissipate it into the surrounding space.

В то же время существуют так называемые адиабатические изолированные источники электроэнергии, когда сброс тепловой мощности в окружающее пространство намного меньше мощности непреобразованного тепла термодинамического цикла. К таким источникам можно отнести установки с острым дефицитом охлаждающей воды и автономные системы, не допускающие использования внешних источников для отвода тепла, например, подземные атомные электростанции. At the same time, there are so-called adiabatic isolated sources of electricity, when the discharge of thermal power into the surrounding space is much less than the power of the untransformed heat of the thermodynamic cycle. Such sources include installations with an acute shortage of cooling water and autonomous systems that do not allow the use of external sources for heat removal, for example, underground nuclear power plants.

Известна адиабатически изолированная атомная электростанция на основе газотурбинной схемы преобразования энергии, термодинамический анализ параметров которой выполнен в [1] Она содержит источник тепла, например, в виде ядерного реактора, систему преобразования тепловой энергии в электрическую и систему отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла расходуемым хладагентом. A well-known adiabatically isolated nuclear power plant based on a gas-turbine energy conversion scheme, the thermodynamic analysis of which was performed in [1]. It contains a heat source, for example, in the form of a nuclear reactor, a system for converting thermal energy into electrical energy and a system for removing untransformed heat of the thermodynamic cycle by a spent refrigerant.

Ресурс и соответственно энерговыработка такой энергоустановки ограничен не ресурсом источника теплоты и системы преобразования энергии, а запасенным количеством расходуемого хладагента, например, воды. Такие электростанции обладают относительно большими габаритами и не допускают повторного включения. The resource and, accordingly, the energy production of such an energy installation is limited not by the resource of the heat source and energy conversion system, but by the stored amount of consumed refrigerant, for example, water. Such power plants have a relatively large size and do not allow re-inclusion.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является адиабатически изолированная атомная электростанция [2] Атомная электростанция содержит источник тепловой энергии в виде ядерного реактора, систему преобразования тепловой энергии в электрическую и систему отвода из системы преобразования непреобразованной теплоты термодинамического цикла, причем система отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла снабжена тепловым аккумулятором. Closest to the invention in technical essence is an adiabatically isolated nuclear power plant [2] A nuclear power plant contains a source of thermal energy in the form of a nuclear reactor, a system for converting thermal energy into electrical energy, and a system for removing from a system for converting unreduced heat of a thermodynamic cycle, and a system for removing unreformed heat of a thermodynamic cycle equipped with a thermal battery.

Такая энергоустановка обладает большими габаритами, не всегда позволяет производить повторные пуски и ее создание требует больших капитальных затрат. Such a power plant has large dimensions, it does not always allow re-launches and its creation requires large capital expenditures.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является снижение габаритов энергоустановки, а следовательно и капитальных затрат на ее создание. The technical result achieved by using the invention is to reduce the size of the power plant, and therefore the capital cost of its creation.

Технический результат достигается тем, что в адиабатически изолированной атомной электростанции, содержащей источник тепловой энергии в виде ядерного реактора, систему преобразования тепловой энергии в электрическую и систему отвода от системы преобразования непреобразованной теплоты термодинамического цикла, снабженную тепловым аккумулятором, источник тепловой энергии в виде ядерного реактора и система преобразования тепловой энергии в электрическую выполнены в виде термоэмиссионного реактора-преобразователя со встроенными в активную зону термоэмиссионными преобразователями энергии (ТЭП), а система отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла выполнена в виде циркуляционного жидкометаллического контура. В качестве теплоносителя может быть использован эвтектический сплав натрий-калий или литий. При использовании лития может быть применен его изотоп литий-7, слабо активирующийся в реакторе. The technical result is achieved by the fact that in an adiabatically isolated nuclear power plant containing a source of thermal energy in the form of a nuclear reactor, a system for converting thermal energy into electrical energy and a system for removing from the system for converting untransformed heat of the thermodynamic cycle equipped with a heat accumulator, a source of thermal energy in the form of a nuclear reactor and the system of converting thermal energy into electrical energy is made in the form of a thermionic converter reactor with built-in su- zone thermionic energy converters (TPE), and retraction of the thermodynamic cycle system unconverted heat is designed as a circulating liquid metal circuit. As a heat carrier, a sodium-potassium or lithium eutectic alloy can be used. When using lithium, its lithium-7 isotope, which is slightly activated in the reactor, can be used.

На фиг. 1 представлена схема адиабатически изолированной атомной электростанции, на фиг. 2 поперечное сечение ТРП, на фиг. 3 разрез электрогенерирующей сборки. In FIG. 1 is a diagram of an adiabatically isolated nuclear power plant; FIG. 2 is a cross section of the TRP, in FIG. 3 section of the power generating assembly.

Адиабатически изолированная атомная электростанция содержит термоэмиссионный реактор-преобразователь (ТРП) 1, в котором активная зона 2 набрана из термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС) 3, снаружи охлаждаемых теплоносителем 4, и отражателя 5, в котором размещены исполнительные органы системы управления ТРП в виде поворотных цилиндров 6 с нейтронно-поглощающими накладками 7. Система отвода непреобразованного тепла термодинамического цикла с прокачиваемым теплоносителем выполнена в виде циркуляционного контура 8 с насосом 9, который может быть электромагнитным. Система отвода тепла содержит также накопитель тепловой энергии (тепловой аккумулятор) 10, выполненный, например, в виде корпуса 11 с рабочим веществом 12. An adiabatically isolated nuclear power plant contains a thermionic converter reactor (TRP) 1, in which the active zone 2 is composed of thermionic electric power generating assemblies (EHS) 3, externally cooled by a coolant 4, and a reflector 5, in which the actuating organs of the TRP control system are located in the form of rotary cylinders 6 with neutron-absorbing pads 7. The system for removing untransformed heat of the thermodynamic cycle with a pumped coolant is made in the form of a circulation circuit 8 with a pump 9, which may be electromagnetic. The heat removal system also contains a thermal energy storage device (heat accumulator) 10, made, for example, in the form of a housing 11 with a working substance 12.

Адиабатически изолированная атомная электростанция работает следующим образом. Adiabatically isolated nuclear power plant operates as follows.

В исходном состоянии все элементы электростанции находятся при температуре окружающей среды. Для пуска электростанции ТРП 1 выводится из подкритического состояния, для чего расположенные в отражателе 5 органы управления в виде поворотных барабанов 6 с поглощающими накладками 7 поворачиваются накладками 7 от активной зоны 2. Реактор становится критичным и его тепловая мощность поднимается до рабочего значения. Выделяющееся в топливных сердечниках 13 ЭГС 3 тепло передается эмиттерной оболочке 14, которая нагревается и начинает эмиттировать с поверхности электронный ток. Непреобразованная часть тепловой мощности с коллектора 15 через слой коллекторной изоляции 16 и корпус 17 снимается теплоносителем 4. ЭГС 3 в активной зоне 2 коммутируются последовательно-параллельно для набора требуемых значений напряжения и тока. Генерируемая в ТРП электроэнергия отводится потребителю с помощью токовыводов 18. Непреобразованная часть тепловой мощности снимается теплоносителем (или хладагентом) 4 системы 8 отвода тепла. Перекачка или циркуляция теплоносителя обеспечивается переключающим устройством 9, например, электромагнитным насосом. Непреобразованное тепло переносится в тепловой аккумулятор 10. Здесь происходит сначала нагрев рабочего вещества 12 теплового аккумулятора до температуры плавления, а затем и его расплавление. Рабочее вещество 12 выбирается таким образом, чтобы его температура плавления была выше температуры окружающей среды, но ниже предельно допустимой температуры теплоносителя (или хладагента) 4 и системы отвода тепла 8. In the initial state, all elements of the power plant are at ambient temperature. To start the power plant TRP 1 is removed from the subcritical state, for which the controls located in the reflector 5 in the form of rotary drums 6 with absorbing pads 7 are turned by pads 7 from the core 2. The reactor becomes critical and its thermal power rises to the operating value. The heat released in the fuel cores 13 of the EHS 3 is transferred to the emitter shell 14, which heats up and begins to emit an electronic current from the surface. The non-converted part of the thermal power from the collector 15 through the collector insulation layer 16 and the housing 17 is removed by the coolant 4. The EHS 3 in the active zone 2 are switched in series-parallel to set the required voltage and current values. Electricity generated in the TRP is supplied to the consumer by means of current leads 18. The unconverted part of the heat power is removed by the heat carrier (or refrigerant) 4 of the heat removal system 8. The transfer or circulation of the coolant is provided by a switching device 9, for example, an electromagnetic pump. Unconverted heat is transferred to the heat accumulator 10. Here, the working substance 12 of the heat accumulator is first heated to the melting temperature, and then it is melted. The working substance 12 is selected so that its melting temperature is higher than the ambient temperature, but below the maximum permissible temperature of the coolant (or refrigerant) 4 and the heat removal system 8.

Допустимое время работы такой электростанции фактически определяется запасом рабочего вещества 12 теплового аккумулятора 10 и его удельными тепловыми характеристиками. The permissible operating time of such a power plant is actually determined by the stock of the working substance 12 of the heat accumulator 10 and its specific thermal characteristics.

После расплавления всего рабочего вещества теплового аккумулятора 10 электростанция исчерпала свой ресурс и должна быть остановлена. Для этого реактор 1 глушится, циркуляция теплоносителя или хладагента 4 прекращается. After the melting of all the working substance of the heat accumulator 10, the power plant has exhausted its resource and must be stopped. To do this, the reactor 1 is shut off, the circulation of the coolant or refrigerant 4 stops.

Если электростанция предназначена для многократного использования, то осуществляется выдержка, во время которой происходит постепенная, пусть небольшая, но конечная диссипация запасенной в тепловом аккумуляторе 10 тепловой энергии в окружающее пространство. При этом происходит затвердевание рабочего вещества 12 теплового аккумулятора 10, а затем и снижение его температуры, как впрочем и температур остальных узлов электростанции. Через какое-то время электростанция готова к повторному пуску, который осуществляется аналогично описанному. If the power plant is intended for repeated use, then exposure is carried out during which a gradual, albeit small, but finite dissipation of the thermal energy stored in the heat accumulator 10 takes place into the surrounding space. When this occurs, the solidification of the working substance 12 of the heat accumulator 10, and then a decrease in its temperature, as well as the temperatures of the other nodes of the power plant. After some time, the power plant is ready for restarting, which is carried out similarly to that described.

Высокий уровень температуры сброса тепла ТРП позволяет выбрать рабочее вещество теплового аккумулятора с повышенной энергоемкостью и тем самым увеличить энергоемкость электростанции, а также сократить время паузы между пусками электростанции за счет повышенного температурного перепада между тепловым аккумулятором и окружающей средой. The high temperature of the heat discharge of the TRP allows you to choose the working substance of the heat accumulator with increased energy intensity and thereby increase the energy intensity of the power plant, as well as reduce the pause time between starts of the power plant due to the increased temperature difference between the heat accumulator and the environment.

Важным преимуществом предложенной электростанции является ее компактность. Предварительные оценки показали, что применение в качестве реактора и системы преобразования энергии одного ТРП уменьшает габариты всей электростанции по сравнению с турбинной схемой преобразования энергии примерно 10 раз. Это позволяет увеличить энергоемкость электростанции с теми же габаритами. Компактность термоэмиссионной электростанции позволяет собрать ее на заводе-изготовителе, обеспечить ее транспортировку в собранном виде и установить ее без специалистов высокой квалификации. An important advantage of the proposed power plant is its compactness. Preliminary estimates showed that the use of one TRP as a reactor and an energy conversion system reduces the dimensions of the entire power plant compared to a turbine energy conversion scheme by about 10 times. This allows you to increase the energy intensity of the power plant with the same dimensions. The compactness of the thermionic power plant allows you to assemble it at the manufacturer, ensure its transportation in assembled form and install it without highly qualified specialists.

Claims

1. Adiabatically isolated nuclear power plant containing a source of thermal energy in the form of a nuclear reactor, a system for converting thermal energy into electrical energy and a system for removing from a system for converting untransformed heat of the thermodynamic cycle, equipped with a heat accumulator, characterized in that the source of thermal energy in the form of a nuclear reactor and system the conversion of thermal energy into electrical energy is made in the form of a thermionic converter reactor with thermoelectric power integrated in the active zone ssionnymi energy converters and exhaust pipe system untransformed heat thermodynamic cycle is designed as a circulating liquid metal circuit.

2. The power plant according to claim 1, characterized in that a sodium-potassium eutectic alloy is used as the working substance of the circulation circuit.

3. The power plant according to claim 1, characterized in that molten lithium is used as the working medium of the circulation circuit.

4. The power plant according to claim 3, characterized in that the lithium isotope lithium-7 is used.

5. Power plant according to claims 1 to 4, characterized in that the circulation circuit is equipped with an electromagnetic pump.