RU2167830C2 - Урановый теплоэлектрогенератор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к биологической переработке сельскохозяйственных отходов и предназначено для утилизации отходов животноводческих ферм с выработкой тепловой и электрической энергии. Теплоэлектрогенератор содержит корпус, во внутренней полости которого, находящейся под разрежением, установлены электроды: у передней торцевой стенки импульсный токоиспускающий, а у задней - токоприемный, сообщенные с батареей конденсаторов. В корпусе концентрично оси импульсных электродов размещены пучки литий-бериллиевых стержней, закрепленных концами в коллекторах, сообщенных с коллектором токоприемника, например электродвигателя. Между пучками литий-бериллиевых стержней и корпусом размещен теплообменник, охлаждаемый водой. Во внутренней полости теплообменника размещены последовательно литиевая, бериллиевая, урановая, графитовая обечайки. Между токоиспускающим электродом и передней торцевой стенкой установлены дуговые электроды с впрессованным в них порошкообразным литием, выполненные с возможностью перемещения навстречу друг другу. Напротив зазора между дуговыми электродами в торцевой стенке корпуса выполнено отверстие, сообщенное через питатель с патрубком парогенератора тяжелой и сверхтяжелой воды. Противоположная торцевая стенка корпуса выполнена полой, сообщенной контуром охлаждения с теплообменником. В этой торцевой стенке корпуса выполнены концентричные токоприемному электроду отверстия, которые сообщены отверстием приводной ступицы со струевым насосом, со сборниками гелия и воды. Изобретение обеспечивает повышение эффективности в работе теплоэлектрогенератора за счет обеспечения условий воспроизводства трития в виде сверхтяжелой воды. 2 ил.

Description

Изобретение относится к технике выработки тепловой и электрической энергии при комплексной биологической утилизации сельхозотходов /СХО/ с производством дополнительной товарной продукции: тяжелой /Д₂О/, сверхтяжелой /Т₂О/ воды, белково-витаминной добавки /БВД/, компоста /КП/ и может быть использовано на товарных животноводческих фермах крупного рогатого скота /КРС/ для снижения себестоимости молока и мяса в районах Крайнего Севера.

Известен ТЭГ, включающий корпус, во внутренней полости которого, находящейся под разрежением, у передней торцевой стенки установлен импульсный токоиспускающий электрод, а у задней - токоприемный, сообщенные с батареей конденсаторов /рис. 1.8., с. 15, Л.С.Кокорев, В.В. Харитонов. Прямое преобразование энергии в термоядерных энергетических установках. М., 1980/, в котором отсутствуют условия воспроизводства трития в виде сверхтяжелой воды, что снижает эффективность его работы.

Цель изобретения - повышение эффективности работы достигается тем, что концентрично оси импульсных электродов размещены пучки литий-бериллиевых стержней, закрепленных концами в коллекторах, сообщенных с коллектором токоприемника, например электродвигателя, а между пучками литий-бериллиевых стержней и корпусом размещен теплообменник, охлаждаемый водой, во внутренней полости которого размещены последовательно обечайки: литиевая, бериллиевая, урановая с отвальным ураном-238, графитовая, а между токоиспускающим импульсным электродом и передней торцевой стенкой установлены дуговые электроды с впрессованным в них порошкообразным литием, выполненные с возможностью перемещения навстречу друг другу, а напротив зазора между дуговыми электродами в торцевой стенке корпуса выполнено отверстие, сообщенное через питатель с патрубком парогенератора тяжелой и сверхтяжелой воды, а противоположная торцевая стенка корпуса выполнена полой, сообщенной контуром охлаждения с теплообменником, и в торцевой стенке корпуса выполнены отверстия, концентричные импульсприемному электроду, которые сообщены отверстием приводной ступицы со струевым насосом, конденсатором, сборниками гелия /He/ и воды.

Обоснование достижения цели изобретения приведено в описании работы УТЭГ в составе установки комплексной биологической утилизации СХО КРС. На фиг. 1 схематически показан продольный разрез, а на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

УТЭГ включает корпус 1, во внутренней полости 2 которого, находящейся под разрежением, у передней торцевой стенки 3 установлен импульсный токоиспускающий электрод 4, а у задней 5 - токоприемный 6, сообщенные с батареей конденсаторов 7.

Концентрично оси импульсных электродов 4 и 6 размещены пучки 8 литий-бериллиевых стержней, закрепленных концами в коллекторах 9 и 10, сообщенных с коллектором 11 токоприемника, например электродвигателя 12, а между пучками 8 литий-бериллиевых стержней и корпусом 1 размещен теплообменник 13, охлаждаемый обычной водой, в во внутренней полости которого размещены последовательно обечайки: 14 - литиевая, 15 - бериллиевая, 16 - урановая с отвальным ураном-238, 17 - графитовая, между токоиспускающим электродом 4 и передней торцевой стенкой 3 установлены дуговые электроды 18 и 19 с впрессованным в них порошкообразным литием, выполненные с возможностью перемещения навстречу друг другу, а напротив зазора 20 между электродами 18 и 19 в торцевой стенке 3 корпуса 1 выполнено отверстие 21, сообщенное через питатель 22 с патрубком 23 парогенератора 24 тяжелой и сверхтяжелой воды, противоположная торцевая стенка 5 корпуса 1 выполнена полой, сообщенной контуром охлаждения 25 с теплообменником 26, и в торцевой стенке 5 корпуса 1 выполнены отверстия 27, концентричные импульсному токоприемному электроду 6, которые сообщены отверстием 28 приводной ступицы 29 со струевым насосом 30, конденсатором 31 и сборниками 32 гелия /He/ и 33 - воды. Теплообменник 13 сообщен контуром охлаждения 34 со сборником 35.

Узел выделения тяжелой воды включает гидравлический затвор 36, сообщенный с ректификационной колонной /РК/ 37 с поперечными перфорированными перегородками /ППП/ 38, образующими секции 39, сообщенные друг с другом переливными трубами 40, причем нижняя секция 39 сообщена с теплообменником 41 и сборником 42 тяжелой воды. Сборник 35 сообщен контуром 43 с сепаратором 44, который в свою очередь контуром 43 сообщай с паровой турбиной 46 привода электрогенератора 47, а по отработанному /"мятому"/ пару - с конденсатором 48 и циркуляционным насосом 49.

Установка комплексной биологической утилизации СХО включает ферму КРС 50, сообщенную со сборником 51 СХО, который по компосту /КП/ сообщен с твердофазным ферментатором /ТФФ/ 52 и по субстрату - с метантенком 53, который по биогазу и бражке сообщен с хлореллогенератором 54, по исчерпанной бражке со взвешенными в ней хлореллой и серобактериям - с центробежным микрофильтром /ЦМФ/ 55 и по биомассе - с динамическим дезинтегратором /ДД/ 56, выполненным с патрубками 57, 58, 59, причем патрубок 58 отвода дезинтеграта из ДД 56 сообщен с оросителем 60 хлореллогенератора 54, а по избыточной биомассе дезинтеграта - с сушилкой 61 белково-витаминной добавки /БВД/.

Метантенк 53 по шламу сообщен с ТФФ 52, а хлореллогенератор 54 по метану /CH₄/ сообщен со сборником 62. Патрубок 59 ДД 56 сообщен со сборником 63 смеси обычной и тяжелой воды. Узел сверхтяжелой воды включает сообщенную со сборником 35 ректификационную колонну /РК/ 64, сообщенную со сборником 65 сверхтяжелой /Т₂О/ воды, причем РК 64 повторяет все конструктивные элементы РК 37, верхняя секция 39 которой по пару сообщена с дефлегматором 66, а по флегме /конденсату/ через гидравлический затвор 67 дефлегматор 66 сообщен с РК 37.

Урановый ТЭГ в установке комплексной биологической утилизации СХО работает следующим образом.

СХО с фермы 50 КРС поступают в сборник 51 гидросмывом и гидросплавом с отделением крупных взвесей /сена, соломы/, которые направляют на термодеградацию в КФФ 52, а термодеградированный компост /КП/ вводят в стоки из условия, чтобы концентрация углерода в стоках превышала концентрацию азота в 20 раз. Стоки последовательно сбраживают в камерах метантенка 53 при температуре 53^oC, причем колебания температуры не должны превышать одного градуса в сутки. Образующийся на выходе из метантенка 53 шлам, обогащенный ферментами, обсемененный микрофлорой, направляют в ТФФ 52 в качестве "затравки" и увлажнения. Биогаз из метантенка 53 имеет концентрацию метана /CH₄/ порядка 75-80%, что недостаточно для использования его в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания /ДВС/ автотранспорта и сельхозмашин. Исчерпывание диоксида углерода и сероводорода осуществляют в хлореллогенераторе 54, в котором в условиях фотосинтеза из бражки, поступающей из оросителя 60, из биогаза исчерпывают примеси. В условиях фотосинтеза хлорелла и серобактерии накапливают в своем организме тяжелую /Д₂О/ воду в концентрациях 0,4-0,6%. Биомассу отделяют на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением электротока, в ЦМФ 55. Для освобождения тяжелой воды выполняют разрушение оболочек клеток в ДД 56. Дезинтеграт через патрубок 58 направляют в ороситель 60 хлореллогенератора 54, а избыточную биомассу дезинтеграта сушат в сушилке 61 для последующего использования в качестве БВД в обычные корма скота и птицы. Смесь обычной /протиевой/ и тяжелой /дейтериевой/ воды из патрубка 59 ДД 56 поступает в сборник 63 и через гидравлический затвор 36 в РК 37. Температура кипения тяжелой воды 101,42^oC. Она хуже испаряется и быстрее конденсируется в сравнении с обычной водой. Многократными частичными испарениями и конденсациями выполняют разделение, причем пар перемещается вверх через перфорацию ППП 38, а вода перемещается вниз по переливным трубам 40 в теплообменник 41, а из него в сборник 42 тяжелой /Д₂О/ воды. Смесь тяжелой /Д₂0/ и сверхтяжелой /Т₂О/ воды нагревают в парогенераторе 24 до температуры 280-320^oC и через патрубок 23 питателем 22 вводят импульсами через отверстие 21 в передней торцевой стенке 3 во внутреннюю полость 2 корпуса 1.

В электродуге зазора 20 при температура 2500-3000^oC выделяющийся при сгорании дуговых электродов 18 и 19 пар смеси дейтериевой и тритиевой воды переводится в плазму из электронов и ионов. Плазма перемещается от передней торцевой стенки 3 к задней стенке 5 по спиральным траекториям. Плазма у торцевой стенки 5, охлажденная контуром 25, теплообменником 26 переводится в пар, который отводится через концентричные отверстия 27 в отверстие 28 приводной ступицы 29. Условия отвода формируют перемещение плазмы внутри обечайки 14 по спиралям. Согласно закону сохранения импульсов взаимодействие высокоэнергетических ионов с поверхностью литиевой обечайки 14, например из окиси лития, дает реакцию, воспроизводимую в литий-берилллиевых стержнях 8 в коллекторах 9 и 10 в виде электротока, подводимого к коллектору 11 токоприемника, например электродвигателя 12. Электродуговой поджиг плазмы в зазоре 20 дуговых электродов 18 и 19, содержащих порошкообразные литийсодержащие соединения алюминия /LiAl, LiAlO₂/, приводит к обогащению плазмы литием.

Взаимодействие нейтронов с ядрами лития приводит к образованию ядер трития и гелия - воспроизводство трития "сгоревшего" в результате реакции синтеза между ядрами дейтерия и трития. Поток испаряющихся ионов с поверхности спиралей плазмы от реактивного давления обеспечивает поджатие плазмы к оси импульсных разрядов между токоиспускающим электродом 4 и токоприемным 6 от батареи конденсаторов 7, причем импульсы ввода смеси паров дейтериевой и тритиевой воды из парогенератора 24 по патрубку 22 и через питатель 22 совпадают во времени с электроразрядами от батареи конденсаторов 7. Образующиеся в результате синтеза ядер трития и дейтерия ядра гелия образуют на внутренней поверхности литиевой обечайки 14 газовую "шубу", снижающую потери тепла из теплообменника 13 через контур 34 в сборник 35.

В обечайках 14 из лития, например окиси лития, и в обечайке 15 из бериллия в воде теплообменника 13 воспроизводится тритий в виде тритиевой воды. В обечайке с твэлами из отвального урана-238 под действием нейтронов синтеза часть ядер урана-238 делится и отдает энергию в виде тепла, а другая часть урана-238 превращается в плутоний - топливо для обычных ядерных реакторов, который извлекается при замене твэлов. Смесь обычной и тритиевой воды из сборника 35 поступает в РК 64. Температура кипения тритиевой воды 104^oC и она отделяется от обычной воды и отводится в сборник 65. Часть ее используют в корпусе 1, а избыточная часть является товарным продуктом для реализации в качестве товарной продукции АПК. Струевым насосом 30 во внутренней полости 2 создается разрежение, способствующее взаимодействию ядер дейтерия и трития и нейтронов с ядрами лития, выделяющимися из дуги дуговых электродов 18 и 19.

Комплексная биологическая утилизация СХО снижает за счет выработки дополнительной товарной продукции себестоимость производства молока, мяса и мясомолочных продуктов.

Белково-витаминная добавка /БВД/ при расходе 1 грамм а.с.в. на 1 кг живого веса скота и птицы снижает расход основных кормов на 20-30%, повышаются надои молока, привесы мяса.

Использование метана в качестве горючего в ДВС автотранспорта, сельхозмашин сокращает расход горючего на 10-20%, на 15% сокращается расход смазочных материалов, выхлоп становится экологически безвредным.

Имеют практическую ценность тритиевая и дейтериевая воды. 1 кг дейтерия при его сжигании в ТЭГ заменяет по тепловому эквиваленту 10000 т угля, т.е. решается проблема обеспечения топливом районов Крайнего Севера.

Ценным товарным продуктом является плутоний - топливо для ядерных реакторов.

Установка комплексной биологической утилизации СХО имеет простую конструкцию, надежна в эксплуатации и решает проблему оздоровления экологической обстановки вокруг предприятий АПК. Расходными компонентами эксплуатации являются дуговые электроды и твэлы с природным или отвальным ураном-238.

Claims (1)

1. Урановый теплоэлектрогенератор, включающий корпус, во внутренней полости которого, находящейся под разрежением, установлены электроды: у передней торцевой стенки импульсный токоиспускающий, а у задней - токоприемный, сообщенные с батареей конденсаторов, отличающийся тем, что концентрично оси импульсных электродов размещены пучки литий-бериллиевых стержней, закрепленных концами в коллекторах, сообщенных с коллектором токоприемника, например электродвигателя, а между пучками литий-бериллиевых стержней и корпусом размещен теплообменник, охлаждаемый водой, во внутренней полости которого размещены последовательно обечайки литиевая, бериллиевая, урановая с отвальным ураном-238, графитовая, причем между токоиспускающим электродом и передней торцевой стенкой установлены дуговые электроды с впрессованным в них порошкообразным литием, выполненные с возможностью перемещения навстречу друг другу, а напротив зазора между дуговыми электродами в торцевой стенке корпуса выполнено отверстие, сообщенное через питатель с патрубком парогенератора тяжелой и сверхтяжелой воды, при этом противоположная торцевая стенка корпуса выполнена полой, сообщенной контуром охлаждения с теплообменником, и в этой торцевой стенке корпуса выполнены концентричные импульсному токоприемному электроду отверстия, которые сообщены отверстием приводной ступицы со струевым насосом, со сборниками гелия и воды.

Images