RU2782232C1 - Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах - Google Patents
Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782232C1 RU2782232C1 RU2022102560A RU2022102560A RU2782232C1 RU 2782232 C1 RU2782232 C1 RU 2782232C1 RU 2022102560 A RU2022102560 A RU 2022102560A RU 2022102560 A RU2022102560 A RU 2022102560A RU 2782232 C1 RU2782232 C1 RU 2782232C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lead
- fuel
- sic
- circuit
- water
- Prior art date
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 9
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 57
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 50
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 37
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- -1 sulfur-iodine Chemical compound 0.000 claims abstract description 15
- 229910001152 Bi alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- MVXWAZXVYXTENN-UHFFFAOYSA-N azanylidyneuranium Chemical compound [U]#N MVXWAZXVYXTENN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N nitride(3-) Chemical compound [N-3] TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052778 Plutonium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N plutonium Chemical compound [Pu] OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 42
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 9
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 20
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 11
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- FLDALJIYKQCYHH-UHFFFAOYSA-N Plutonium(IV) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[Pu+4] FLDALJIYKQCYHH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000001488 breeding Effects 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical class I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000005372 isotope separation Methods 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- TXKMVPPZCYKFAC-UHFFFAOYSA-N disulfur monoxide Inorganic materials O=S=S TXKMVPPZCYKFAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 2
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 2
- 229940071870 hydroiodic acid Drugs 0.000 description 2
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 239000002901 radioactive waste Substances 0.000 description 2
- 239000002915 spent fuel radioactive waste Substances 0.000 description 2
- XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N sulfur monoxide Chemical compound S=O XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 2
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 206010001488 Aggression Diseases 0.000 description 1
- 238000007132 Bunsen reaction Methods 0.000 description 1
- 102000015367 CRBN Human genes 0.000 description 1
- 108060001884 CRBN Proteins 0.000 description 1
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 229910000978 Pb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052776 Thorium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052768 actinide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001255 actinides Chemical class 0.000 description 1
- CMBZEFASPGWDEN-UHFFFAOYSA-N argon;hydrate Chemical compound O.[Ar] CMBZEFASPGWDEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000002927 high level radioactive waste Substances 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 150000002497 iodine compounds Chemical class 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible Effects 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 230000003472 neutralizing Effects 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- 238000005025 nuclear technology Methods 0.000 description 1
- 238000009377 nuclear transmutation Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous Effects 0.000 description 1
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 1
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- ZSLUVFAKFWKJRC-UHFFFAOYSA-N thorium Chemical compound [Th] ZSLUVFAKFWKJRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JCMLRUNDSXARRW-UHFFFAOYSA-N trioxouranium Chemical compound O=[U](=O)=O JCMLRUNDSXARRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000439 uranium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к атомной электростанции. Электростанция включает керамический ядерный реактор на быстрых нейтронах с топливом из нитрида урана или его смеси с нитридом и оксидом плутония, корпус реактора, твэлы с чехлами, внутрикорпусные детали, генератор, теплообменники, циркуляционные насосы с трубопроводами первого, второго, имеющего горячую часть, и третьего контуров, высокотемпературную установку для получения водорода и кислорода по серно-йодному циклу и свинцово-водный теплообменник. Чехлы твэлов, внутрикорпусные детали, трубопроводы первого контура, горячая часть трубопроводов второго контура, теплообменники, а также установка для получения водорода и кислорода и свинцово-водный теплообменник изготовлены из ингибированного композиционного керамического материала на основе C-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC. В качестве теплоносителей первого контура используется свинец или свинцово-висмутовый сплав с содержанием висмута от 48 до 63%, а второго контура - вода. Топливные элементы имеют форму правильных шестигранных призм с длиной стороны основания от 8 до 35 мм и высотой боковой грани от 8 до 100 мм. Техническим результатом является повышение безопасности АЭС в случае ее аварийного обесточивания при увеличении ресурса работы. 2 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к энергетике и может быть применяться для производства электроэнергии и тепла на основе использования в качестве энергоносителя ядерного топлива.
Наиболее эффективными в настоящее время являются реакторы на быстрых нейтронах.
Из существующего уровня техники известны АЭС с водо-водяными реакторами на тепловых нейтронах (Маргулова Т.Х. Электрические станции. 5 изд. М.: МЭИ, 1994, стр. 21). АЭС такого типа не могут вырабатывать пар с высокой температурой и давлением, близкими к параметрам, достигнутыми в традиционной энергетике на органическом топливе. Параметры таких АЭС обычно не превышают 330°С и 7,0 МПа. КПД у водо-водяных АЭС доходит до 35%.
Недостатками АЭС с водо-водяными реакторами на тепловых нейтронах (ВВЭР) являются: неблагоприятные последствия в случае запроектной аварии при вступлении в реакцию циркония с водой, т.к. в процессе реакции выделяется водород и огромное количество тепла; невозможность поднятия температуры топлива в виде таблетки, изготовленного из оксида урана в связи с малым коэффициентом её теплопроводности и в этом случае будет происходить перегрев центра таблетки до недопустимых температур; невозможность осуществления замкнутого топливного цикла - сжигание в реакторе только изотопа U235, а также низкий КПД АЭС.
Используемые в настоящее время оболочки твэлов из сплава циркония с ниобием имеют большой недостаток. При высокой температуре оболочки твелов взаимодействуют с водой с выделением тепла и водорода, что является недопустимым. (Википедия, сайт Росатома, Учебник для студентов «Реакторы на быстрых нейтронах» Г.Б. Усынин, Е.В. Кусманцев. Указана АЭС – 4- блок Белоярской АЭС).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является изобретение по патенту РФ № 2755261, МПК G 21D 1/00, публ. 14.09.2021г.
Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах, включающая ядерный реактор с топливом, корпус реактора, твэлы с чехлами, теплообменники, насосы для обеспечения циркуляции жидкого теплоносителя через теплообменники с трубопроводами первого, второго и третьего контуров, генератор, отличающаяся тем, что корпус реактора, чехлы твэлов, внутрикорпусные детали, трубопроводы первого контура, горячая часть трубопроводов второго контура, литий – аргонный теплообменник изготовлены из ингибированного композиционного керамического материала на основе C-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC, аргонно-водяной теплообменник изготовлен из металла; в качестве жидкого теплоносителя в первом контуре используют литий (Li7), во втором контуре в качестве теплоносителя используют аргон, в качестве топлива используют нитрид урана или смесь нитрида урана с нитридом и оксидом плутония в виде таблеток диаметром от 10 до 40 мм и высотой от 5 до 100 мм.
К недостаткам указанного технического решения относятся: использование лития в качестве теплоносителя первого контуров который, является пожароопасным металлом (металл очень агрессивный, при взаимодействии с водой выделяется водород, и происходит самовозгорание); невозможность увеличения температуры первого контура до высоких температур, так как температура кипения лития равна 1330°С, невозможность обеспечения в реакторе жёсткого нейтронного излучения. Высокая химическая агрессивность лития приводит к уменьшению ресурса работы АЭС. Использование аргона в качестве теплоносителя второго контура резко увеличивает габариты литий-аргонового теплообменника и затрудняет расхолаживание первого контура в случае аварийного обесточивания АЭС, а также приводит к необходимости разработки высокотемпературной газовой турбины большой мощности. В случае использования цилиндрических таблеток и, соответственно, цилиндрических твэлов невозможно создать каналы для теплоносителя в реакторе имеющие одинаковую толщину (для их равномерного прогрева), а также невозможно уменьшить соотношение топливо : теплоноситель меньше чем
где π – число π.
Всеми этими недостатками не обладает предложенная конструкция топлива в виде правильных шестигранных призм и шестигранных твэлов соответственно, в ней возможно создать каналы для теплоносителя имеющие одинаковую толщину и создать соотношение топливо : теплоноситель вплоть до величины 1 : 0.
Задачи, на решение которых направлено заявленное изобретение, заключаются в создании АЭС с «нулевым углеродным следом», повышении безопасности АЭС в случае аварийного обесточивания АЭС; в удешевлении капитальных и эксплуатационных затрат при строительстве и эксплуатации АЭС; в увеличении ресурса работы АЭС.
Указанные задачи решаются предлагаемым изобретением.
Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах, включающая ядерный реактор с топливом из нитрида урана или смеси нитрида урана с нитридом и оксидом плутония, корпус реактора, твэлы с чехлами, внутрикорпусные детали, генератор, теплообменники, насосы для обеспечения циркуляции жидкого теплоносителя через теплообменники с трубопроводами первого, второго, имеющего горячую часть, и третьего контуров, при этом корпус реактора, чехлы твэлов, внутрикорпусные детали, трубопроводы первого контура, горячая часть трубопроводов второго контура, теплообменники изготовлены из ингибированного композиционного керамического материала на основе C-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя первого контура используется свинец или свинцово-висмутовый сплав с содержанием висмута от 48 % до 63%, в качестве теплоносителя второго контура используется вода, топливные элементы имеют форму правильных шестигранных призм с длиной стороны основания от 8 до 35 мм и высотой боковой грани от 8 до 100 мм, при этом электростанция дополнительно содержит высокотемпературную установку для получения водорода и кислорода по серно-йодному циклу и свинцово-водный теплообменник, изготовленные из ингибированного композиционного керамического материала на основе C-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC.
Предлагаемый в АЭС ядерный реактор на быстрых нейтронах с теплоносителем первого контура из свинца или свинцово-висмутового сплава (КРБНС) имеет ряд преимуществ по сравнению с атомными реакторами на быстрых нейтронах с литиевым теплоносителем.
В целях повышения энергетической безопасности мира в ядерной энергетике должны использоваться технологии нового поколения и замкнутый топливный цикл в реакторах на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством. Это обеспечит неограниченность ресурса ядерного топлива за счет перехода от использования изотопа U235 к использованию естественного урана, тория и плутония.
КРБНС в процессе работы будет вырабатывать не только энергию и тепло, но и водород и кислород.
КРБНС также можно использовать для уничтожения долгоживущих высокоактивных отходов и наработки материалов для воспроизводства топлива.
Наиболее оптимальное направление развития атомной энергетики - создание КРБНС. При переходе от керамического реактора на быстрых нейтронах с литиевым теплоносителем (КРБН) к КРБНС можно добиться улучшенных технико-экономических показателей, а также улучшения экологии на планете.
Именно в 21 веке проблема «углеродного следа» стала ведущей проблемой мировой повестке человечества. По итогам 2019 года концентрация СО2 в атмосфере Земли составила 419 ppm, а суммарная концентрация парниковых газов в эквиваленте СО2 составила 508 ppm. Углеродный след человечества составляет 55 млрд. тонн СО2 - эквивалента в год.
Парниковые газы – основная причина глобального потепления климата. Деятельность человека уже привела к повышению температуры земли на 1,1°С по сравнению с XIX веком. В результате погода стала изменчивой, участились засухи, наводнения, пожары и т.д. Согласно Парижскому соглашению 2015 года, человечество должно сдержать рост температуры планеты на 1,5°С до конца XXI века, иначе нам грозят кардинальные и необратимые изменения условий жизни. КРБНС позволяет создать энергетику с нулевым «углеродным следом».
Высокотемпературный потенциал свинцового теплоносителя или свинцово-висмутового теплоносителя позволит выработать водород и кислород путем разложения воды в высокотемпературной установке для получения водорода и кислорода по серно-йодному циклу.
Серно-йодный цикл позволяет вырабатывать водород для «чистой» водородной экономики. Он не требует углеводородов, как современные методы паровой конверсии, и не оставляет «углеродный след», в отличие от выработки водорода из угля, природного газа и более эффективный по сравнению с методом прямого электролиза воды. Долю выработки водорода или электроэнергии в общем балансе АЭС с КРБНС можно корректировать в зависимости от потребности энергосети.
В КРБНС топливо или смесь нитрида урана с нитридом и оксидом плутония используется в виде правильных шестигранных призм. Это позволяет уменьшить долю теплоносителя в активной зоне путем уменьшения зазора между твэлами. В случае использования твэлов в виде цилиндрических таблеток доля теплоносителя не может быть уменьшена до определенных значений.
Замедляющая способность свинца или свинцово-висмутового сплава в первом контуре АЭС намного меньше замедляющей способности лития, следовательно, в предлагаемой конструкции активной зоны АЭС скорости нейтронов в ней будет больше, более жёсткий спектр нейтронов позволит расщеплять изотоп U 238.
В КРБНС по сравнению с КРБН температура чехла твэла будет увеличена с 1250°С до 1300°С, а температура теплоносителя на выходе из реактора будет увеличена с 1200°С до 1250°С. Температура кипения свинца – 1737 С и это позволяет поднять температуру чехла твэла до 1300°С, что обеспечивает запас до вскипания свинца 437 °С. У КРБН запас до вскипания лития 80 °С.
Высокотемпературный потенциал свинцового теплоносителя позволит выработать водород и кислород путем разложения воды в специальных аппаратах, например, используя серно-йодный цикл.
Реакции, при которых выделяется водород, следующие:
1. 2 H2SO4 + нагрев до 830 °C → 2 SO2 + 2 H2O + O2.
Воду, SO2 и остаточную не разложившуюся серную кислоту необходимо отделить от кислорода путем конденсации.
2. 2 HI + нагрев до 450 °C → I2 + H2.
Йод и любая сопутствующая вода или SO2 отделяются путем конденсации, а водород остается в виде газа.
3. I2 + SO2 + 2H2O + нагрев до 120 °C → 2 HI + H2SO4 — Реакция Бунзена.
Затем HI отделяют от H2SO4 дистилляцией или гравитационным разделением жидкость/жидкость.
То есть получается, что йодоводородная и серная кислоты разлагаются и синтезируются по замкнутому циклу и в процессе этих трёх реакция итоговой получается реакция: 2 H2 O → 2 H2 + O2
Соединения серы и йода восстанавливаются в высокотемпературной установке для получения водорода и кислорода по серно-йодному циклу и повторно используются, поэтому процесс рассматривается как цикл. Этот процесс S–I представляет собой химический тепловой двигатель. Теплота необходимая для этих реакций забирается у свинцового высокотемпературного теплоносителя.
В деструкторе серной кислоты 8 происходит деструкция серной кислоты и образование оксида серы, воды и кислорода (реакция 1), в деструкторе йодоводорода 9 происходит разложение на йод, воду и водород (реакция 2), в бунзеровском реакторе 10 происходит синтез серной и йодоводородной кислот (реакция 3), указанные на фигуре. В процессе работы установки происходит непрерывное удаление водорода и кислорода и добавление воды.
Процесс поддается масштабированию, возможно получение водорода и кислорода в больших объёмах.
Преимущества высокотемпературной установки для получения водорода и кислорода по серно-йодному циклу:
- все вещества (жидкости, газы) повторно используются, поэтому хорошо подходят для непрерывной работы;
- высокий коэффициент использования тепла;
- полностью закрытая система без побочных продуктов (кроме водорода и кислорода);
- технически более отработанный процесс, чем конкурирующие термохимические процессы.
Для данного процесса требуется температура выше 850 °C, КРБНС имеет такой температурный потенциал. Высокотемпературный потенциал свинцового теплоносителя от 1250°С до 850°C будет использоваться в вышеуказанном процессе.
Ингибированный композиционный керамический материал на основе C-SiC и ингибированный керамический материал на основе SiC-SiC имеет высокую коррозионную стойкость при высокой температуре в среде воды, йода, диоксида серы, йодоводородной кислоты, серной кислоты. Следовательно, из них возможно изготовить элементы высокотемпературной установки для выработки водорода и кислорода.
Использование свинца или свинцово-висмутового сплава вместо лития в первом контуре и воды вместо аргона во втором контуре позволит:
- существенно увеличить безопасность КРБНС в связи с гарантированным теплосъёмом от активной зоны в случае аварийного обесточивания АЭС;
- в КРБН в случае разгерметизации второго контура аргон не сможет эффективно охлаждать теплоноситель первого контура в отличие от водяного контура в КРБНС;
- повысить пожаробезопасность АЭС, так как в отличие от КРБН исключено взаимодействие лития с водой;
- уменьшить габариты свинцово-водного теплообменника за счёт гораздо большего коэффициента теплопередаче в нём по сравнению с литий-аргоновым теплообменником;
- исключить разработку и изготовление дорогостоящей высокотемпературной (на 1200 °С) газовой турбины, а использовать паровую турбину с температурой входа пара ниже 840 °C;
- использование сплава свинца с висмутом позволит снизить температуру плавления сплава (у чистого свинца - 342 °С, у свинцово - висмутового сплава с процентным содержанием висмута 48-63 % – менее 150 °С). Если процентное содержание висмута другое, то температура плавления сплава повышается;
- улучшить радиационную обстановку около работающего реактора, т.к. свинцово висмутовый сплав – отличная защита от γ-излучения;
-улучшить физические характеристики КРБНС, т.к. свинец и свинцово-висмутовый сплав практически прозрачный для n-излучения.
За счет увеличения температуры теплоносителя первого контура с 1250°С до 1300°С к.п.д. КРБНС увеличится на 3% по сравнению с КРБН.
Конструкция КРБНС позволит удешевить строительство за счет удешевления системы пожаротушения, удешевления турбины, более дешёвого теплоносителя первого и второго контуров.
В КРБН необходимо также предусмотреть с систему улавливания трития, такая установка не нужна в КРБНС. Радиационная обстановка КРБНС существенно улучшается так же за счет отсутствия образования трития, который образуется в КРБН.
Технология литиевого теплоносителя является сложной технологией, и это может привести к снижению надёжности эксплуатации КРБН. Для КРБНС не требуется производить изотопное разделение свинца в отличие от КРБН (литиевый теплоноситель требует изотопное разделение на изотопы Li6 и Li7).
Высокий коэффициент теплопроводности UN позволит увеличить тепловые нагрузки в твэлах, а также выбранный размер правильных шестигранных призм с длиной стороны основания 8-35мм и высотой боковой грани 8-100 мм в качестве топливных элементов из нитрида урана или смеси нитрида урана и оксидом плутония будет способствовать более низкой стоимости изготовления твэлов и уменьшит потери нейтронов в конструкционных материалах.
Нитрид урана и смешанные нитриды урана и плутония, обладающие рядом благоприятных физических свойств, являются потенциально важными видами ядерного топлива и воспроизводящимися материалами. Они имеют высокую размерную стабильность при облучении и их использование в ядерных реакторах позволяет достигнуть глубокого выгорания и, следовательно, снизить стоимость ядерного топливного цикла. Характерными особенностями простых и смешанных нитридов урана и плутония являются: высокая, по сравнению с оксидами, теплопроводность; повышенная плотность и лучшая способность к удержанию газообразных продуктов деления (ГПД).
Температура топлива из UN является более низкой по сравнению с температурой оксидного топлива при одинаковом объемном энерговыделении, что позволяет уменьшить выделение ГПД в процессе облучения.
Рабочая температура нитридного топлива существенно ниже его допустимой предельной температуры эксплуатации, что приводит к потенциальному увеличению уровня безопасной работы из-за более низкого значения отрицательного эффекта Доплера.
Лучшее удержание ГПД топлива из UN уменьшает количество ГПД в зазоре топливо-оболочка и снижает давление газа под оболочкой твэла.
Более высокая плотность топлива из UN по сравнению с оксидным и карбидным топливом может при более низком обогащении приводить к большим скоростям расширенного воспроизводства, более короткому времени удвоения и большей длительности кампании топлива. Совместимость топлива из UN со свинцовым теплоносителем повышает безопасность работы КРБНС. UN и UPuN не взаимодействует с Pb и Pb-Bi при температуре до 1300оС («Справочник по свойствам материалов для перспективных реакторных технологий», т.6, Москва, ИздАТ, под общей редакцией д.т.н., профессора В.М.Поплавского, 2014, c. 237).
Существует возможность изготовления твэлов в виде правильных призм. При этом возможно увеличение соотношения «топливо: теплоноситель», а это в свою очередь приведёт к созданию в реакторе более жёсткого спектра нейтронов и соответственно меньшего их «нецелевого» использования, следовательно, коэффициент воспроизводства топлива будет максимальным.
Увеличение размеров топливных элементов, уменьшение зазора для протекания свинца приведёт к увеличению пропорции «топливо: теплоноситель». При применении Pb в качестве теплоносителя, сохранит «быстрый» спектр нейтронов в реакторе. Оптимальные размеры топливных элементов в виде правильных шестигранных призм находятся в диапазоне: длина стороны основания от 8 до 35 мм, а высота боковой грани от 8 мм до 100 мм. Если высота грани менее 8 мм, то это приведет к увеличению количества призм, а призмы с высотой грани более 100 мм не технологичны. Если длина стороны основания призмы менее 8 мм, это приведет к увеличению количества призм, а в призмах с длиной стороны основания более 35 мм будет перегреваться ее центр.
Эффективность использования нейтронов в КРБНС резко возрастает.
Использование КРБНС позволит увеличить глубину выгорания ядерного топлива и довести коэффициент воспроизводства топлива до 1,46.
КРБНС обеспечит новый уровень экологической безопасности за счет многократного снижения объемов отработанного ядерного топлива и радиоактивных отходов. Отходы будут «сжигаться» в КРБНС.
КРБНС позволит увеличить срок службы АЭС до 110 лет, так как керамические композиционные материалы не ржавеют и практически не деградируют при облучении.
Использование свинца или свинцово-висмутового сплава в качестве теплоносителя первого контура позволит поднять температуру теплоносителя на выходе из реактора до 1250°С (температура кипения свинца 1737 °С, лития - 1330°С). Высокая температура кипения свинца 1737°С создает большой запас до кипения (427оС) даже в случае малоразмерной активной зоны с высокими коэффициентами неравномерности.
Сечение захвата нейтронов у природного лития - 77,6 барн, что существенно больше, чем у природного свинца – 14,5 барн, следовательно коэффициент использования нейтронов у КРБНС будет выше, чем у КРБН.
Допустимые тепловые потоки за счёт высоких теплофизических характеристик свинца практически не ограничивают критические тепловые нагрузки.
Свинец является одноатомным металлом, поэтому проблем радиационных нарушений и образования высокоактивных продуктов в теплоносителе не происходит. Свинец гораздо более инертный материал, чем литий, и не пожароопасный.
Высокая электрическая проводимость свинца позволяет использовать герметичные электронасосы постоянного и переменного тока. Природный свинец в 21 раз дешевле природного лития. А с учетом отсутствия проблемы изотопного разделения (в отличие от литиевого теплоносителя) стоимость свинцового теплоносителя на много порядков меньше, чем Li7.
Теплоемкость лития в 27 раз больше теплоемкости свинца при температуре 1400К, а плотность при температуре 1400К в 21 раз меньше, чем свинца, следовательно, произведение этих величин будет примерно одинаково, и равнотолщинные слои будут иметь примерно одинаковый показатель энергоемкости. Для испарения свинца требуется значительное количество энергии, это также повышает безопасность АЭС.
Физические свойства жидкометаллических теплоносителей натрия, лития и свинца приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Параметры | Литий при 527°С |
Свинец | Свинцово-висмутовый сплав |
| Плотность при 450 °С, кг/м3 | 483 | 10470 | 10180 |
| Температура, °С плавления кипения |
180 1330 |
327,4 1737 |
124 * 1670 *для эвтектики |
| Теплоемкость при 450 °С, кДж/(кг·К) | 4,181 | 0,155 | 0,147 |
| Критическая температура, °К | 3503 | 5000 | 4900 |
| Стоимость 1 тонны, тыс. $ США | 49 | 2,3 | 2,3 |
При работе КРБНС вырабатывается водород, кислород, электроэнергия и тепло.
За счет большей химической стойкости деталей реактора к расплаву свинца, чем к расплаву лития возможно увеличение температуры первого контура и, следовательно, высокотемпературный потенциал свинцового теплоносителя позволит выработать водород и кислород путем разложения воды в высокотемпературной установке для получения водорода и кислорода по серно-йодному циклу.
Применение воды во втором контуре значительно уменьшит габариты свинцово-водного теплообменника за счёт гораздо большего коэффициента теплопередаче в нём по сравнению с литий-аргоновым теплообменником и не будет приводить к затруднениям в расхолаживании первого контура в случае аварийного обесточивания АЭС, а также не будет необходимости в разработке высокотемпературной газовой турбины большой мощности и это позволит применить «классическую паровую турбину» с температурой эксплуатации до 840оС.
Керамические композиционные материалы на основе ингибированных С-SiC и SiC-SiC сохраняют высокую прочность при температурах до 1400°С, радиационно-стойкие, инертные к расплаву свинца.
Для повышения эффективности АЭС предусматривается возможность отопления зданий и сооружений третьим контуром, в качестве теплоносителя которого используется вода.
Поток нейтронов высокой энергии в КРБНС способен эффективно «сжигать» наиболее опасные долгоживущие радионуклиды, образующиеся в отработанном ядерном топливе. Применив замкнутый топливный цикл с выжиганием актинидов и трансмутацией долгоживущих продуктов деления в короткоживущие, можно радикально решить проблему обезвреживания отходов ядерной энергетики и многократно уменьшить объём радиоактивных отходов, подлежащих захоронению.
Переход к быстрым реакторам-бридерам наряду с тепловыми реакторами, а также переход на замкнутый топливный цикл, позволит создать безопасную технологию получения энергии, в полной мере отвечающую требованиям устойчивого развития человеческого общества.
Технико-экономические показатели реакторов КРБН-1000 и КРБНС-1000 приведены в таблице 2.
Таблица 2
| Технико-экономические показатели | Реактор КРБН-1000 | Реактор КРБНС-1000 |
| Коэффициент использования установленной мощности | 0,95 | 0,95 |
| КПД, % | 75 | 78 |
| Поэтапное повышение выгорания МОКС-топлива с достигнутого уровня, % | 40% | 41% |
| Коэффициент воспроизводства | 1,45 | 1,46 |
| Срок службы реактора, лет | 100 | 110 |
Разработка КРБНС приведет к решению поставленных целей.
На фигуре приводится общая схема АЭС, которая состоит из реактора 1, твэлов 2, электрического насоса 3, свинцово-водного теплообменника 4, корпуса реактора 5, внутрикорпусных деталей 6, трубопровод первого контура 7, высокотемпературного теплообменника - деструктора серной кислоты 8, низкотемпературного теплообменника - деструктора йодо-водорода 9, бунзеновского реактора 10, выходного трубопровода из деструктора серной кислоты 11, выходного трубопровода из деструктора йодо-водорода 12, входного трубопровода в деструктор серной кислоты 13, входного трубопровода в деструктор йодо-водорода 14, выходного паропровода из свинцово-водного теплообменника 15, паровой турбины 16, генератора 17, холодной части трубопровода второго контура 18, паро-водяного теплообменника 19, электрического насоса второго контура 20, трубопровода третьего контура 21, насоса для циркуляции воды в третьем контуре 22.
Работает АЭС с керамическим реактором на быстрых нейтронах следующим образом. Уран 238 и плутоний расщепляются при поглощении быстрых нейтронов в правильных шестигранных призмах из нитрида урана или смеси нитрида урана с нитридом и оксидом плутония, при этом выделяется энергия (температура призм около 1550°С в центре и 1350°С на периферии). Затем нагреваются стенки твэлов 2, изготовленные из материала на основе ингибированного композиционного керамического материала на основе С-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC, до температуры около 1300°С. Далее тепло передаётся к жидкому свинцу или свинцово-висмутовому сплаву - теплоносителю первого контура, который нагревается до температуры 1250°С. Жидкий свинец или свинцово-висмутовый сплав перекачивается электрическим насосом 3 к высокотемпературному теплообменнику - деструктору серной кислоты 8, затем к низкотемпературному теплообменнику - деструктору йодо-водорода 9, затем в свинцово-водный теплообменник 4 и обратно в реактор 1. В деструкторе серной кислоты происходит деструкция серной кислоты и образования оксида серы, воды и кислорода, в деструкторе йодоводородной кислоты происходит деструкция йодоводорода на йод, воду и водород. В бунзеровском реакторе происходит синтез серной и йодоводородной кислоты.
Корпус реактора 5, внутрикорпусные детали 6, трубопровод первого контура 7, высокотемпературный теплообменник - деструктор серной кислоты 8, низкотемпературный теплообменник- деструктор йодо-водорода 9, бунзеновский реактор 10, выходной трубопровод из деструктора серной кислоты 11, выходной трубопровод из деструктора йодо-водорода 2, входной трубопровод в деструктор серной кислоты 13, входной трубопровод в деструктор йодо-водорода 14, выходной паропровод из свинцово-водного теплообменника 15, свинцово-водный теплообменник 4 изготовлены из материалов на основе ингибированного композиционного керамического материала на основе С-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC.
В свинцово-водном теплообменнике 15 свинец передаёт тепло воде, которая нагревается до температуры 840°С и по выходному паропроводу из свинцово-водного теплообменника подаётся в паровую турбину 16, где она отдаёт энергию турбине, при этом генератором 17 вырабатывается электроэнергия. Затем вода по холодной части трубопровода второго контура 18 направляется в паро-водный теплообменник 19, где она нагревает воду до 90°С. Затем вода перекачивается электрическим насосом 20 и снова попадает в свинцово-водяной теплообменник 4, где она снова нагревается, и по трубопроводам третьего контура 21 подаётся на отопление зданий и сооружений. Паро-водяной теплообменник и трубопроводы третьего контура изготавливаются из металла. После передачи тепла зданиям и сооружениям вода с помощью электрического насоса 22 возвращается в паро-водяной теплообменник для повторного нагревается, при необходимости, возможно, добавлять воду в третий контур для компенсации её потерь.
Таким образом, оптимальное сочетание референтных и новых решений и возможность расширенного воспроизводства топлива позволяют отнести проект КРБНС-1000 к ядерным технологиям четвертого поколения.
Claims (1)
- Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах, включающая ядерный реактор с топливом из нитрида урана или смеси нитрида урана с нитридом и оксидом плутония, корпус реактора, твэлы с чехлами, внутрикорпусные детали, генератор, теплообменники, насосы для обеспечения циркуляции жидкого теплоносителя через теплообменники с трубопроводами первого, второго, имеющего горячую часть, и третьего контуров, при этом корпус реактора, чехлы твэлов, внутрикорпусные детали, трубопроводы первого контура, горячая часть трубопроводов второго контура, теплообменники изготовлены из ингибированного композиционного керамического материала на основе C-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя первого контура используется свинец или свинцово-висмутовый сплав с содержанием висмута от 48 до 63%, в качестве теплоносителя второго контура используется вода, топливные элементы имеют форму правильных шестигранных призм с длиной стороны основания от 8 до 35 мм и высотой боковой грани от 8 до 100 мм, при этом электростанция дополнительно содержит высокотемпературную установку для получения водорода и кислорода по серно-йодному циклу и свинцово-водный теплообменник, изготовленные из ингибированного композиционного керамического материала на основе C-SiC или ингибированного керамического материала на основе SiC-SiC.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2782232C1 true RU2782232C1 (ru) | 2022-10-25 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2260862C1 (ru) * | 2004-01-20 | 2005-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") | Способ формирования микроструктуры сердечника тепловыделяющего элемента |
| RU2394291C2 (ru) * | 2007-08-15 | 2010-07-10 | Селиванов Николай Павлович | Атомная электростанция и тепловыделяющий элемент ядерного реактора |
| RU2549829C1 (ru) * | 2014-01-31 | 2015-04-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Активная зона реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, твэл и тепловыделяющая сборка для ее создания |
| RU2755261C1 (ru) * | 2021-03-10 | 2021-09-14 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" | Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2260862C1 (ru) * | 2004-01-20 | 2005-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") | Способ формирования микроструктуры сердечника тепловыделяющего элемента |
| RU2394291C2 (ru) * | 2007-08-15 | 2010-07-10 | Селиванов Николай Павлович | Атомная электростанция и тепловыделяющий элемент ядерного реактора |
| RU2549829C1 (ru) * | 2014-01-31 | 2015-04-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Активная зона реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, твэл и тепловыделяющая сборка для ее создания |
| RU2755261C1 (ru) * | 2021-03-10 | 2021-09-14 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" | Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Маргулова Т.Х. Электрические станции. 5 изд. М.: МЭИ, 1994, стр. 21. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Şahin et al. | Generation-IV reactors and nuclear hydrogen production | |
| Merle-Lucotte et al. | Launching the thorium fuel cycle with the molten salt fast reactor | |
| US20160217874A1 (en) | Molten Salt Reactor | |
| Shin et al. | Advanced passive design of small modular reactor cooled by heavy liquid metal natural circulation | |
| CA2925576A1 (en) | Molten salt reactor | |
| Pioro et al. | Generation IV nuclear reactors as a basis for future electricity production in the world | |
| Adamov et al. | Brest lead-cooled fast reactor: from concept to technological implementation | |
| Pioro et al. | Current status of electricity generation at nuclear power plants | |
| Acır et al. | Investigation of the hydrogen production of a laser FUSION driver thorium breeder using various coolants | |
| RU2782232C1 (ru) | Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах | |
| Galahom et al. | Investigation of the possibility of using a uranium–zirconium metal alloy as a fuel for nuclear power plant AP-1000 | |
| Poullikkas | An overview of future sustainable nuclear power reactors. | |
| Furukawa et al. | New sustainable secure nuclear industry based on thorium molten-salt nuclear energy synergetics (THORiMS-NES) | |
| Asif et al. | Advancement of Integral Fast Reactor | |
| RU2755261C1 (ru) | Атомная электростанция с керамическим реактором на быстрых нейтронах | |
| Han et al. | An overview of heavy water reactors | |
| Poplavskii | Fast reactors. Status and prospects | |
| Adamov et al. | Project Proryv (Breakthrough) | |
| Dolan | Molten Salt Reactors | |
| Glebov et al. | Prospects of VVER-SKD reactor in a closed fuel cycle | |
| Houghton | Molten Salt Reactors: Overview and Comparison of Uranium and Thorium Fuel Cycles | |
| Lam | Economics of Thorium and Uranium Reactors | |
| Orlov et al. | Mononitride fuel and large scale nuclear power industry | |
| Dulera et al. | With high temperature thorium reactors | |
| Shi | Feasibility of HALEU-loaded Breed-and-Burn Molten Salt Fast Reactor without Online Actinide Treatment |