RU2510088C1

RU2510088C1 - Underground nuclear power complex

Info

Publication number: RU2510088C1
Application number: RU2012142792/07A
Authority: RU
Inventors: Тагир Мавлитович Хафизов; Глеб Тагирович Хафизов; Сергей Егорович Денисов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Промышленные технологии"
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2014-03-20

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: underground nuclear power complex includes inclined Y-wells. Lower part of wells converges in a bottomhole, where a central shaft is located and an artificial storage is formed, which attaches all the shafts between themselves. Shafts of all the wells are cased with steel pipes and radiation barriers. In one of the shafts there arranged are liquid radioactive wastes (LRW) or liquid radioactive fuel. In shafts there arranged are matrixes presenting devices for electric energy generation against interaction of LRW with an irradiated electron-hole junction formed with semiconductor materials in matrixes. Electric current is collected from matrixes through a transformer and then accumulated on an accumulator (ultracapacitor or batteries).

EFFECT: improving use efficiency of nuclear waste at reduction of surface area of a power complex; simplifying the complex structure.

3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных источников с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованном различными полупроводниковыми материалами, и может использоваться в энергетике.The invention relates to devices for generating electrical energy from radioactive sources with an irradiated electron-hole transition formed by various semiconductor materials, and can be used in energy.

Известен комплекс теплоснабжения, описанный в книге Бермана Э. «Геотермальная энергия», М.: «Мир», 1978 г. (с.299, фиг.6.16, схема со вторичным теплоносителем).A well-known complex of heat supply, described in the book of Berman E. "Geothermal energy", M .: "World", 1978 (p.299, Fig.6.16, a circuit with a secondary coolant).

Известный комплекс содержит эксплуатационную скважину, теплообменник, с контуром вторичного теплоснабжения с изобутаном, турбину с генератором, систему сброса геотермальной жидкости.The known complex contains a production well, a heat exchanger, with a secondary heat supply circuit with isobutane, a turbine with a generator, a geothermal fluid discharge system.

Недостатком известного комплекса является низкий процент использования тепла, т.к. вторичным теплоносителем является изобутан, за счет нагрева которого получают электроэнергию, а геотермальную, еще горячую воду сбрасывают, частично использовав для теплосети.A disadvantage of the known complex is the low percentage of heat use, because the secondary heat carrier is isobutane, due to the heating of which electricity is obtained, and geothermal, still hot water is discharged, partially used for the heating system.

Известен комплекс теплоэлектроснабжения и обработки отходов, описанный в книге Дворова И.М. «Глубинное тепло земли». М.: «Наука», (см. Геотермальная станция с теплообменником, стр.110, рис.27).A well-known complex of heat supply and waste treatment described in the book Dvorova IM "The deep heat of the earth." M .: "Science", (see Geothermal station with heat exchanger, p. 110, Fig. 27).

Известный комплекс содержит эксплуатационную геотермальную скважину, теплообменник с контуром вторичного теплоносителя, турбину с генератором, конденсатор пара, насос и систему обработки отходов.The known complex contains an operational geothermal well, a heat exchanger with a secondary coolant circuit, a turbine with a generator, a steam condenser, a pump and a waste treatment system.

Недостатком известного комплекса является снижение температурных и упругих параметров пара перед турбиной, пониженный коэффициент полезного действия, узкий круг обрабатываемых отходов.A disadvantage of the known complex is the reduction in temperature and elastic parameters of the steam in front of the turbine, a reduced efficiency, a narrow circle of processed waste.

Известен комплекс теплоэлектроснабжения и обработки отходов производства, описанный в одноименном патенте РФ №16799 по кл. G21H 1/00, заявлено 17.08.2000 г., опубликовано 10.02.2001 г., и выбранный в качестве прототипа.A well-known complex of heat and power supply and waste treatment described in the same patent of the Russian Federation No. 16799 by class. G21H 1/00, claimed 17.08.2000, published 10.02.2001, and selected as a prototype.

Известный комплекс теплоэлектроснабжения и обработки отходов производства содержит эксплуатационную геотермальную скважину, теплообменник, контур вторичного теплоносителя, турбину с генератором, конденсатор пара, насос и систему обработки отходов и отличается тем, что в него введены нагнетательная и наблюдательная скважины, насос выполнен дозировочным, выход эксплуатационной скважины связан с турбосепаратором, который соединен с генератором, один из выходов турбосепаратора соединен с входом теплообменника, в качестве вторичного теплоносителя которого выбрана потребляемая вода, теплообменник содержит выход потребляемой воды и выход термальной воды, который через первый дозировочный насос соединен с входом нагнетательной скважины, второй выход турбосепаратора связан с сетчатым сепаратором, выход которого связан с турбогенератором, последовательно с турбогенератором расположен конденсатор пара, выход которого соединен с входом первого дозировочного насоса, система обработки отходов содержит контейнер жидких радиоактивных отходов, соединенный через второй дозировочный насос с входом нагнетательной скважины, в наблюдательной скважине расположены приборы контроля за нагнетательной скважиной и приборы управления дозировочными насосами, при этом расстояние между эксплуатационной скважиной и нагнетательной скважиной удовлетворяет условиюThe well-known complex of heat and power supply and waste treatment includes a production geothermal well, a heat exchanger, a secondary coolant circuit, a turbine with a generator, a steam condenser, a pump and a waste treatment system, and is characterized in that injection and observation wells are introduced into it, the pump is dosed, and the production well is output connected to a turbo separator, which is connected to the generator, one of the outputs of the turbo separator is connected to the input of the heat exchanger, as a secondary of the carrier of which the consumed water is selected, the heat exchanger contains the outlet of the consumed water and the outlet of thermal water, which is connected through the first metering pump to the inlet of the injection well, the second outlet of the turbo separator is connected to a mesh separator, the outlet of which is connected to the turbogenerator, a steam condenser is located in series with the turbogenerator, the outlet of connected to the inlet of the first metering pump, the waste treatment system contains a container of liquid radioactive waste, connected through the second to metering pump with the inlet of the injection well; in the observation well there are instruments for monitoring the injection well and control devices for metering pumps, while the distance between the production well and the injection well satisfies the condition

$\frac{R_{э н}}{R_{в л}} \geq z$

,

\frac{R_{uh n}}{R_{at l}} \geq z

,

где R_эн- расстояние между нагнетательной и эксплуатационной скважинами; R_вл - радиус зоны влияния эксплуатационной скважины, а наблюдательная скважина расположена в зоне влияния нагнетательной скважины.where R _en - the distance between the injection and production wells; R _ow is the radius of the zone of influence of the production well, and the observation well is located in the zone of influence of the injection well.

В известном источнике преобразователем энергии служит геотермальная скважина, и нагнетательная скважина служит для закачки в нее радиоактивных отходов и их реагирования с гидротермальной средой, в результате чего постадийно происходит осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов, аморфного кремнезема, а также окислов и карбонатов, благодаря чему происходит сорбция радиоактивных материалов и образование нерастворимых соединений.In a known source, a geothermal well serves as an energy converter, and an injection well serves to pump radioactive waste into it and to react with a hydrothermal medium, as a result of which heavy metals are precipitated in stages in the form of sulfides, amorphous silica, and also oxides and carbonates, due to which sorption of radioactive materials and the formation of insoluble compounds.

Недостатком известного комплекса является его невысокая эффективность, обусловленная тем, что главным источником энергии служит геотермальная энергия, усложняющая преобразование ее в электрическую, а радиоактивные отходы просто нейтрализуются, а не используются как самостоятельный источник электроэнергии. Кроме того, такой комплекс занимает весьма значительное наземное и подземное пространство.A disadvantage of the known complex is its low efficiency, due to the fact that the main source of energy is geothermal energy, which complicates its conversion into electrical energy, and radioactive waste is simply neutralized, and not used as an independent source of electricity. In addition, such a complex occupies a very significant ground and underground space.

Задачей является повышение эффективности энергетического комплекса при уменьшении занимаемой площади.The objective is to increase the efficiency of the energy complex while reducing the occupied area.

Поставленная задача решается тем, что в подземном ядерно-энергетическом комплексе, содержащем несколько скважин, в стволе одной из которых размещены жидкие радиоактивные материалы или отходы (ЖРО), подвергаемые взаимодействию с реагентной средой, преобразователь энергии и устройство вывода энергии, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ стволы скважин выполнены наклонными, имеющими У-образную форму и сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, при этом стволы скважин обсажены стальными трубами, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами, в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, использованы размещаемые в стволах скважин, матрицы, представляющие собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, устройством вывода энергии служит трансформатор, соединенный выходом с накопителем энергии.The problem is solved in that in an underground nuclear power complex containing several wells, one of which contains liquid radioactive materials or wastes (LRW), which are subjected to interaction with a reagent medium, an energy converter and an energy output device, according to the INVENTION, the wellbores are made inclined, having a U-shape and converging with the lower part in the bottom of the central well, where the central trunk is located and an artificial storage is formed connecting all the trunks I’m waiting for myself, while the wellbores are lined with steel pipes, and closer to the mouth - with additional anti-radiation screens, as a reagent medium that serves as an energy converter at the same time, the matrices are used, which are devices for generating electricity from the interaction of LRW with electronically irradiated - a hole transition formed by semiconductor materials in the matrices, the energy output device is a transformer connected by the output to the energy storage device.

Выполнение стволов скважин наклонными У-образной формы, сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, в совокупности с обсадкой стволов скважин стальными трубами, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами и использованием в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, размещаемых в стволах скважин, матриц, представляющих собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, дает возможность получить большое количество электрической энергии при достаточно простой, не занимающей много места, конструкции и эффективно использовать ядерные отходы.The execution of wellbores with inclined U-shaped converging at the bottom in the bottom of the central well, where the central well is located and an artificial storage is formed connecting all the wells together, together with the casing of the well with steel pipes, and closer to the mouth with additional anti-radiation screens and using, as a reagent medium, which simultaneously serves as a transformer of energy, placed in wellbores, matrices, which are devices for generating electricity the interaction LRW irradiated with electron-hole junction formed by semiconductor materials in the matrices, allows to obtain a large amount of electrical energy in a fairly simple, does not take up much space, construction and use of nuclear waste efficiently.

Технический результат - получение большого количества энергии при весьма простой и безопасной конструкции.EFFECT: obtaining a large amount of energy with a very simple and safe design.

Заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как выполнение скважин наклонными У-образной формы, сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, обсадка стволов скважин стальными трубами, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами, использование в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, размещаемых в стволах скважин, матриц, представляющих собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.The inventive underground nuclear power complex has a novelty in comparison with the prototype, differing from it by such significant features as the execution of wells with an inclined U-shape, converging at the bottom in the bottom of the central well, where the central shaft is located and an artificial storage is formed connecting all the trunks between by itself, casing of wellbores with steel pipes, and closer to the mouth - with additional anti-radiation screens, use as a reagent medium, which simultaneously serves as energy generator, placed in wellbores, matrices, which are devices for generating electricity from the interaction of LRW with the irradiated electron-hole transition formed by semiconductor materials in the matrices, which together ensure the achievement of a given result.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного технического результат, поэтому он считает, что заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс соответствует критерию «изобретательский уровень».The applicant is not aware of technical solutions that have the indicated distinguishing features, which together ensure the achievement of a given technical result, therefore he believes that the claimed underground nuclear power complex meets the criterion of "inventive step".

Заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс может найти широкое применение в энергетике, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».The inventive underground nuclear power complex can find wide application in the energy sector, and therefore meets the criterion of "industrial applicability".

Изобретение иллюстрируется чертежами, где показаны на:The invention is illustrated by drawings, where shown in:

фиг.1 - общий вид комплекса сбоку под землей;figure 1 is a General view of the complex from the side underground;

фиг.2 - внешний вид комплекса сбоку; figure 2 - external view of the complex from the side;

фиг.3 - схема размещения матриц и ЖРО в стволах комплекса. figure 3 - layout of the matrices and LRW in the trunks of the complex.

Подземный ядерно-энергетический комплекс (фиг.1-3) содержит наклонные скважины 11-1n (где n - целое число) и придающие им У-образную форму наклонные скважины 2l-2i. При этом скважины 1 сходятся нижней частью в забое 3 центральной скважины, где расположен центральный ствол 4 и образовано искусственное хранилище 5, соединяющее все стволы между собой. При этом стволы всех скважин обсажены стальными трубами 6, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами 7. В одном из стволов 1l размещены жидкие радиоактивные отходы или жидкое радиоактивное топливо 8; при этом во всех стволах размещены матрицы 9. Матрицы 9 представляют собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах 9. Они служат для ЖРО реагентной средой, одновременно являющейся преобразователем энергии. С матриц 9 электрический ток снимается через трансформатор 10 и далее накапливается на накопителе 11 (ионисторе или батареях).The underground nuclear power complex (FIGS. 1-3) contains deviated wells 11-1n (where n is an integer) and Y-shaped inclined wells 2l-2i. In this case, the wells 1 converge with the lower part in the bottomhole 3 of the central well, where the central wellbore 4 is located and an artificial storage 5 is formed, connecting all the trunks to each other. In this case, the trunks of all wells are lined with steel pipes 6, and closer to the mouth - with additional anti-radiation screens 7. In one of the trunks 1l there are liquid radioactive waste or liquid radioactive fuel 8; in this case, matrices 9 are placed in all the trunks. Matrices 9 are devices for generating electricity from the interaction of LRW with the irradiated electron-hole transition formed by semiconductor materials in the matrices 9. They serve as a reagent medium for LRW, which is also an energy converter. From the matrices 9, the electric current is removed through the transformer 10 and then accumulates on the drive 11 (ionistor or batteries).

Практически подземный ядерно-энергетический комплекс может быть выполнен следующим образом.Almost underground nuclear power complex can be performed as follows.

На глубину 3000 метров пробурен роторным способом центральный ствол 4 скважины диаметром 300 мм.At a depth of 3000 meters, the central wellbore of 4 wells with a diameter of 300 mm was drilled in a rotary manner.

К забою центральной скважины 4 под углом 30-45° пробурены две или более наклонные скважины 11 -In в зависимости от мощности батареи.To the bottom of the central well 4, at an angle of 30-45 °, two or more inclined wells 11-In are drilled depending on the battery power.

От устья центральной скважины 4 на «оптимальном» для технологического оборудования расстоянии, пробурены две или более скважин 2, соединяющие центр наклонных стволов к забою.From the mouth of the central well 4 at a distance "optimal" for the process equipment, two or more wells 2 were drilled connecting the center of the inclined shafts to the bottom.

В забое центральной скважины образуется искусственное хранилище 5 по запатентованному способу (патенты №2430312, №97814).In the bottom hole of the central well, an artificial storage 5 is formed according to the patented method (patents No. 2430312, No. 97814).

В хранилище сходятся все наклонные стволы скважин 1. Стволы 1 и 2 обсажены стальными трубами 6, ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами 7.All inclined boreholes converge in the storage 1. Trunks 1 and 2 are lined with steel pipes 6, closer to the mouth - with additional anti-radiation screens 7.

Внутрь стволов скважин 1, 2, 4 вставляют и опускают от отметки 3 км до отметки 1 км от поверхности земли матрицы 9 - устройства для превращения энергии радиоактивных излучений, содержащихся в жидких радиоактивных отходах (ЖРО), в электрический ток.Matrix 9, a device for converting the energy of radioactive radiation contained in liquid radioactive waste (LRW), into electrical current, is inserted and lowered from boreholes 1, 2, 4 from 3 km to 1 km from the earth's surface.

Матрица 9 представляет собой, например, совокупность диэлектрических ячеек, в которых размещены полупроводниковые вещества, образующие последовательно соединенные контактами аноды и катоды (см. патент РФ №2130658) либо закрепленные на одном основании полупроводниковые кристаллы с созданными внутри областями дырочной и электронной проводимости, контактирующие с радиоактивными изотопами (см. патент РФ №90612).Matrix 9 is, for example, a set of dielectric cells in which semiconductor substances are placed, forming anodes and cathodes in series with the contacts (see RF patent No. 2130658) or semiconductor crystals fixed on the same base with the hole and electron conduction regions created inside and in contact with radioactive isotopes (see RF patent No. 90612).

По форме матрица 9 выполнена в виде объемного элемента диаметром 200 мм с внутренними стенками, проходящими через центр. Общая площадь матриц начинается от нижнего предела в 110000 м² и заканчивается верхним пределом, зависящим от мощности батареи.In shape, the matrix 9 is made in the form of a volumetric element with a diameter of 200 mm with inner walls passing through the center. The total area of the matrices starts from the lower limit of 110,000 m ² and ends with the upper limit, depending on the battery power.

Заявляемый комплекс работает следующим образом.The inventive complex operates as follows.

В одну из боковых скважин 1 вливается радиоактивное топливо 8 общим объемом от 500 м³ или более, такое как Ni-63, тритиевая вода (³Н₂О), называемая сверхтяжелой, или любое другое радиоактивное вещество, излучающее заряженные частицы, в т.ч. и жидкие радиоактивные отходы (ЖРО).Radioactive fuel 8 is poured into one of the side wells 1 with a total volume of 500 m ³ or more, such as Ni-63, tritium water ( ³ Н ₂ О), called superheavy, or any other radioactive substance emitting charged particles, in t. hours and liquid radioactive waste (LRW).

При попадании радиоактивного излучения на полупроводниковый элемент в нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), которая приводит к возникновению электрического тока (патент РФ №2130657). Таким образом, при взаимодействии радиоактивного вещества 8 и матриц 9 в последних возникает электрический ток.When radioactive radiation hits a semiconductor element, an electromotive force (EMF) is induced in it, which leads to the appearance of an electric current (RF patent No. 2130657). Thus, during the interaction of the radioactive substance 8 and the matrices 9, an electric current arises in the latter.

Предполагаемая мощность на 1 м² равна 50 Ватт в час или более. Предполагаемая мощность всей батареи от 2 МВт до 10 МВт в час. Матрицы 9 имеют выводы 10 для подключения к трансформатору или к потребителю электроэнергии.Estimated power per 1 m ² is 50 watts or more per hour. The estimated capacity of the entire battery is from 2 MW to 10 MW per hour. Matrices 9 have terminals 10 for connection to a transformer or to a consumer of electricity.

Электрический ток поступает на поверхностные аккумулирующие элементы 11, в качестве которых могут использоваться ионисторы через предварительную систему преобразования, для дальнейшего преобразования и подачи к потребителю (согласно патенту №) на гелио-геотермическую электростанцию.Electric current is supplied to the surface storage elements 11, which can be used ionistors through a preliminary conversion system, for further conversion and supply to the consumer (according to patent No.) to a solar-thermal power station.

В сравнении с прототипом заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс является более эффективным по мощности и занимаемой площади.Compared with the prototype, the claimed underground nuclear power complex is more efficient in terms of power and footprint.

Claims

An underground nuclear power complex containing several wells, one of which contains liquid radioactive materials or wastes (LRW) subjected to interaction with a reagent medium, an energy converter and an energy output device, characterized in that the wells are made inclined, having a U-shape and converging the lower part in the bottom of the central well, where the central wellbore is located and an artificial storage is formed connecting all the trunks to each other, while the wellbores are cased with steel pipes and additional anti-radiation screens, as a reagent medium that simultaneously serves as an energy converter, matrices placed in the boreholes are used, which are devices for generating electricity from the interaction of LRW with the irradiated electron-hole transition formed by semiconductor materials in the matrices, the transformer is an energy output device connected by an output to an energy storage device.