СИСТЕМА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИБРИДНОЙ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ, СОДЕРЖАЩЕЙ АТОМНУЮ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЮ
SYSTEM AND METHOD OF ELECTRIC POWER GENERATION USING HYBRID GEOTHERMAL POWER PLANT CONTAINING NUCLEAR POWER PLANT

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в общем относится к производству электроэнергии. В частности, кроме прочего, настоящее изобретение относится к системам и способам производства электроэнергии с применением геотермальной энергии.
Описание уровня техники
2
2
Возросшая необходимость регулирования уровня выбросов CO обуславливает вложение значительных денежных средств в развитие чистой/экологической технологии. Одним из наибольших источников выбросов CO является выработка электроэнергии, а особенно станции по производству электроэнергии из угля. В настоящее время существует целый ряд технологий производства электроэнергии, которые создают меньший "углеродный след" по сравнению со станциями по производству электроэнергии на основе ископаемого топлива. Одним из таких альтернативных решений является атомная энергия, атомная энергия обеспечивает приблизительно 6% мировых запасов энергии и 13-14% мировых запасов электричества, США, Франция и Япония вместе производят приблизительно 50% электричества, вырабатываемого атомными электростанциями. Хотя атомная энергия является устойчивым источником энергии, который обеспечивает снижение выбросов углерода, она является крайне противоречивой. Примерами могут служить недавние события на атомных станциях в Японии, а также в Чернобыле и Три Майл Айленд, которые продемонстрировали всю опасность аварий на атомных электростанциях.
Другой проблемой, связанной с атомными электростанциями, является производство ядерных отходов. Обычный атомный реактор мощностью 1000-МВтэ каждый год вырабатывает приблизительно 20 кубических метров (приблизительно 27 тонн) отработавшего ядерного топлива (однако только 3 кубических метра остекленного объема в случае регенерации). Отработавшее ядерное топливо изначально высокорадиоактивно, и поэтому работать с ним нужно в условиях высокой осторожности и предусмотрительности. Однако со временем его радиоактивность снижается. После 40 лет интенсивность потока излучения на 99,9% ниже, интенсивности потока излучения на момент изъятия отработавшего топлива из работы. Тем не менее, на 0,1% оно является опасно радиоактивным. После 10000 лет радиоактивного распада, в соответствии со стандартами Управления по охране окружающей среды США, отработавшее ядерное топливо не представляет никакой опасности для здоровья и безопасности людей.
После первого извлечения стержни отработавшего топлива хранят в экранированном резервуаре с водой (бассейны отработавшего ядерного топлива), расположенном обычно на месте. Вода обеспечивает как охлаждение еще распадающихся продуктов распада, так и защиту от продолжающегося радиоактивного излучения. После некоторого промежутка времени (как правило, пять лет для станций США), уже более холодное, менее радиоактивное топливо, как правило, перемещают в воздухо-охлаждаемое хранилище или хранилище с сухими контейнерами, где топливо хранят в стальных и бетонных контейнерах.
В дополнение к проблемам плавления активной зоны и производства отходов также существуют проблемы, связанные с безопасностью. Атомные реакторы и хранилища отходов является главными целями для террористов, поскольку представляется возможность распространить радиоактивные материалы, возникающие в результате плавления активной зоны реактора, на большом радиусе заселенной территории. Сами отходы также являются целью, поскольку их можно применять в производстве "грязных" бомб и т.п.
Альтернативным подходом для атомной энергии является производство электроэнергии на основе геотермальной энергии. Для получения электричества из геотермальной энергии необходимы высокотемпературные ресурсы, которые могут поступать только их недр земли. Тепло должно передаваться на поверхность посредством жидкостной циркуляции. Такая циркуляция иногда существует в природе, там, где кора тонкая: по магмопроводящим каналам тепло доходит до зоны рядом с поверхностью, и горячие источники переносят тепло на поверхность. До недавнего времени большинство геотермальных электростанций возводили исключительно там, где высокотемпературные геотермальные ресурсы находятся рядом с поверхностью. Разработка электростанций бинарного типа и усовершенствования технологий бурения и откачивания способна обеспечить размещение усовершенствованных геотермальных систем в более широком географическом диапазоне.
Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) представляют собой новый тип геотермальных энергетических технологий, для которых не нужны природные гидротермальные конвективные энергетические ресурсы. До недавнего времени в геотермальных энергетических системах применяли ресурсы, в которых естественная теплопроницаемость, водопроницаемость и проницаемость породы является достаточной для вывода энергии из эксплуатационных скважин. Однако значительная доля геотермальной энергии, которую можно добыть посредством традиционных способов, находится в сухой и непроницаемой породе. EGS технологии "улучшают" и/или создают геотермальные ресурсы в этой горячей сухой породе (HDR) посредством гидравлической интенсификации.
Когда из-за естественных трещин и пор не удается достичь экономически выгодной пропускной способности, проницаемость можно повысить посредством накачивания холодной воды под высоким давлением вниз по нагнетательной скважине в породу. Нагнетание увеличивает давление текучей среды в разрушенной естественным образом породе, мобилизуя тем самым сдвигающие усилия, улучшая проницаемость трещиноватой системы. Такой процесс, называемый гидрорасщеплением [3] и применяемый в EGS, по существу отличается от гидравлического разрыва при растяжении, применяемого в нефтегазовой промышленности.
Вода движется через трещины в породе, захватывая тепло породы до момента ее вытеснения из второго ствола скважины в виде очень горячей воды, которая преобразуется в электричество посредством или паровой турбины или системы электростанций бинарного типа. Всю воду, уже охлажденную, нагнетают обратно в грунт для повторного нагрева в замкнутом контуре. Технологии EGS/HDR, например гидротермальные, геотермальные, считаются базисными ресурсами, которые производят электроэнергию 24 часа в сутки, как электростанции, работающие на основе ископаемого топлива. В отличие от гидротермальной технологии, HDR/EGS можно осуществлять в любой точке мира, в зависимости от пределов рентабельности глубины бурения.
В любом случае тепловой КПД геотермальных электростанций ниже, приблизительно 10-23%, поскольку температура геотермальных текучих сред ниже по сравнению с температурой пара из паровых котлов. В соответствии с законами термодинамики такая низкая температура ограничивает КПД тепловых двигателей при выделении полезной энергии в ходе выработки электричества. Считается, что срок службы HDR скважины составляет 20-30 лет до момента падения температуры истечения приблизительно на 10°C, после чего скважина становится нерентабельной. Для восстановления температуры необходимо от 50 до 300 лет. В виду такого ограниченного срока службы и затрат на бурение и т.п. эксплуатация таких электростанций является нежелательной с экономической точки зрения, ограничивая их работу.
Очевидно, что предпочтительным является предоставление системы и способа производства электроэнергии, характеризующегося относительно низким "углеродным следом", и который устраняет некоторые проблемы, связанные с описанным выше уровнем техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описание изобретения
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения представлена система производства электроэнергии, причем система содержит:
геотермальную систему, содержащую по меньшей мере один шахтный ствол для нагнетания и по меньшей мере один шахтный ствол для откачивания, и где шахтный ствол для откачивания соединен с шахтным стволом для нагнетания;
атомную систему, содержащую по меньшей мере один реактор, причем реактор расположен удаленно от атомной электростанции; и
при этом шахтные стволы для нагнетания и шахтные стволы для откачивания проходят на заданную глубину, и по меньшей мере один реактор расположен в области, образованной между основанием шахтного ствола для нагнетания и шахтного ствола для откачивания.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения представлен способ производства электроэнергии, причем указанный способ включает этапы:
бурения шахтного ствола для нагнетания на заданную глубину;
бурения шахтного ствола для откачивания на заданную глубину таким образом, чтобы шахтный ствол для откачивания был соединен с шахтным стволом для нагнетания;
размещение активной зоны реактора в области, образованной между основанием шахтного ствола для нагнетания и шахтного ствола для откачивания;
накачивание текучей среды в шахтный ствол для нагнетания под низким давлением;
откачивание пара под высоким давлением из шахтного ствола для откачивания; и
поддержание посредством применения активной зоны реактора практически постоянного перепада температур в области между шахтным стволом для нагнетания и шахтным стволом для откачивания, способствуя превращению текучей среды в поток пара высокого давления.
Соответственно, геотермальная система содержит электростанцию и насосную станцию. Предпочтительно шахтный ствол для нагнетания и шахтный ствол для откачивания бурят на глубину от 4400 м до 5000 м. Шахтный ствол для нагнетания и шахтный ствол для откачивания могут быть соединены с образованием практически U-образного трубопровода между электростанцией и насосной станцией.
Соответственно, текучую среду накачивают в верхнюю часть нагнетательной скважины при относительно низком давлении. Текучая среда может подаваться при давлении нагнетания приблизительно 30-40 фунт/кв. дюйм. Давление текучей среды в основании трубопровода может составлять 5000-6000 фунт/кв. дюйм, а температура может составлять 450°C-500°C. Давление текучей среды по длине откачной скважины может меняться до давления от 6000 до 3000 фунт/кв. дюйм, и может меняться при температуре от 500°C до 200°C. Предпочтительно текучая среда извлекается из откачной скважины в виде потока пара высокого давления. Поток пара высокого давления извлекают из откачной скважины при давлении от 2500 до 3300 фунт/кв. дюйм. Соответственно, поток пара высокого давления применяют для приведения в действие одной или нескольких турбин, расположенных на электростанции. Электростанция также может содержать один или несколько конденсаторов для конденсирования потока пара обратно в текучую среду для повторного нагнетания назад в нагнетательную скважину.
Геотермальная система может содержать дополнительный шахтный ствол для откачивания и шахтный ствол для нагнетания, расположенные между электростанцией и насосной станцией для увеличения мощности производства станции. В системе можно применять любую соответствующую текучую среду, обладающую требуемой температурой испарения. Предпочтительно по шахтным стволам проходит вода.
Соответственно, атомный реактор расположен в области, образованной между шахтным стволом/стволами для нагнетания и шахтным стволом/стволами для откачивания. Предпочтительно реактор расположен внутри шахтного ствола на глубине 3000 м - 4400 м. Реактор может работать таким образом, что тепло, производимое распадающимся компонентом, применяют для нагрева окружающей области. Предпочтительно распадающийся материал находится в форме набора урановых стержней, которые применяются в большинстве стандартных атомных реакторов.
Соответственно, шахтный ствол, в котором находится реактор, может содержать ряд зарядов взрывчатого вещества, находящихся в отдельных точках по его длине. Предпочтительно заряды взрывчатого вещества расположены таким образом, что при взрыве они запечатывают шахтный ствол. Система также может предусматривать дополнительные методики обеспечения безотказной работы при выходе из строя отдельных элементов, такие как заполнение шахтного ствола защитным материалом на заданную глубину.
Атомная система может содержать несколько реакторов, расположенных в области между шахтным стволом/стволами для нагнетания и шахтным стволом/стволами для откачивания. Атомную систему также можно применять для производства электроэнергии непосредственно из реактора/(-ов). В таких случаях могут предоставлять ряд вспомогательных шахтных стволов для нагрева воды до состояния пара с применением реакторов традиционным способом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Для обеспечения четкого понимания и описания практического эффекта будут представлены ссылки на прилагаемые графические материалы, которые показывают предпочтительные варианты осуществления изобретения, и на которых:
на фиг.1 схематически показана система производства электроэнергии в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения; и
на фиг.2 представлено схематическое изображение одной возможной конструкции активной зоны реактора для применения в системе производства электроэнергии.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно фиг.1 показана одна компоновка системы 100 производства электроэнергии в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Как видно, система является гибридной геотермальной системой и содержит геотермальную систему, содержащую электростанцию 101, и насосную станцию 102, атомную электростанцию 103.
Геотермальная система в данном случае работает аналогично большинству стандартных усовершенствованных геотермальных систем. Более конкретно, насосную станцию 102 применяют для нагнетания текучей среды из резервуара 104 через нагнетательную скважину 105 в подстилающей породе 106 (также называемой зоной горячей сухой породы HDR). Глубина нагнетательной скважины обычно находится в диапазоне от 4000 м до 5000 м. В большинстве усовершенствованных геотермальных систем, однако, текучую среду, нагнетаемую в кристаллическую подстилающую породу 106, извлекают через второй ствол скважины (откачной скважины), обычно соединенной с электростанцией 101. В данном примере, однако, нагнетательная скважина связана с откачной скважиной 107.
Преимущество такой конструкции заключается в том, что в ней не нужно применять гидроразрыв, который происходит в случае большинства усовершенствованных геотермальных систем, что может приводить к проявлениям сейсмичности. Как показано, текучую среду (например, воду) накачивают в верхнюю часть нагнетательной скважины при относительно низком давлении, например приблизительно 30 фунт/кв. дюйм, до основания шахтного ствола, находящегося на расстоянии приблизительно 5000 м. На такой глубине давление и температура воды существенно увеличиваются, например давление воды может составлять приблизительно 6000 фунт/кв. дюйм при температуре приблизительно 500°C.
Непрерывное нагнетание текучей среды и давление, прикладываемое к воде, направляют ее вверх к откачной скважине 107. При подъеме текучей среды по откачной скважине 107 и температура, и давление падают, в этом случае давление воды падает до приблизительно 3500 фунт/кв. дюйм приблизительно на 3000 м при температуре 450°C, в этой точке вода начинает переходить в газообразное состояние (т.е. начинает превращаться в пар). Воду извлекают из откачной скважины в виде пара высокого давления (приблизительно 3000 фунт/кв. дюйм), который затем применяют для приведения в действие турбин электростанции 101 для производства электричества. Хотя геотермальная система была описана с применением одного шахтного ствола для нагнетания и шахтного ствола для откачивания, безусловно специалисту в данной области техники должно быть понятно, что дополнительные шахтные стволы также можно применять для увеличения мощности производства станции.
1
2
3
1
2
3
Как было описано выше, одной из проблем, связанных с геотермальными системами, является их КПД. Общий КПД системы уменьшается при извлечении тепла из зоны HDR. Для устранения такого падения температуры в настоящем изобретении применена атомная электростанция 103. В отличие от традиционной атомной электростанции реактор/реакторы станции 103 выполнены в ряде стволов 108, 108, и 108 скважин. Более конкретно распадающиеся компоненты 109, 109, 109 реактора расположены в зоне HDR. Специалистам в данной области техники, безусловно, понятно, что хотя в данном примере использовано только три шахтных ствола для реакторов, применять можно больше шахтных стволов в зависимости от размера станции и требуемой выработки электричества.
Вместо тепла, вырабатываемого в ходе распада стержней реактора, применяемых для непосредственного нагрева воды до состояния пара для производства электроэнергии, реакторы применяют для нагрева окружающей подстилающей породы 106. Увеличение температуры подстилающей породы в состоянии повысить общий КПД геотермальной системы, поскольку выделенный пар остается более высокой температуры в течение более длительного периода времени, обеспечивая лучшую эксплуатацию струи перед рассеиванием слишком большого количества энергии. Кроме того, при условии, что реакторы необходимы для непосредственного нагрева подстилающей породы, они могут работать при более высоких температурах, чем принято в случае обычного реактора. Это происходит, в основном, за счет тепловой массы породы, которую реакторам необходимо нагреть, т.е. для породы необходимо большее количество потребляемой энергии для обеспечения увеличения температуры на несколько градусов.
Одно преимущество такой конструкции заключается в том, что она может эффективно продлевать срок службы геотермальной станции, т.е. падение температуры компенсируется подачей тепла от атомной электростанции. Также опасности, связанные с реактором, сведены к минимуму. Поскольку распадающийся материал активной зоны расположен в пласте земной коры, в котором материалы уже радиоактивны, опасность радиоактивного загрязнения минимальна. Более того, с учетом глубины расположения реактора, в случае плавления его активной зоны, результирующий взрыв будет иметь минимальное воздействие, поскольку он происходит глубоко под землей. В случае плавления активной зоны систему можно оснастить дополнительными средствами безопасности. Например, каждый из стволов скважин, содержащий реакторы, может иметь ряд зарядов взрывчатого вещества, находящихся в отдельных точках по его длине. В случае плавления активной зоны или другой аналогичной аварии взрывчатое вещество можно активировать для разрушения релевантного ствола скважины над реактором. Дополнительно, часть ствола скважины может быть заполнена защитным материалом, т.е. соответствующим слоем цемента или другого подходящего материала, такого как материал synroc и т.п. Дополнительно, когда топливные стержни уже отработали, нет необходимости удалять их из шахтного ствола, шахтный ствол можно просто запечатать с отходами в слое земной коры, который уже является радиоактивным.
Как видно из приведенного выше описания, представляется возможным использовать стандартные конструкции, а именно ряд топливных и регулирующих стержней со средой замедлителя, распределенной между ними для повышения КПД геотермальной системы производства электроэнергии посредством рассевания тепла, полученного из реактора в окружающей подстилающей породе. С учетом расстояния между активной зоной реактора и регулирующими стержнями некоторую сложность может представлять регулирование протекание реакции для обеспечения эффективного применения топлива (т.е. обеспечения продолжительной работы реактора перед необходимым запечатыванием активной зоны реактора). Следовательно, заявитель предусмотрел ряд альтернативных конструкций реактора для улучшения применения топлива и теплопередачи. Более конкретно, заявитель предусмотрел применение высокотемпературных реакторов (VHTR).
Один тип конструкции VHTR, которая рассматривается как подходящая для применения в настоящем изобретении, представляет собой реактор с засыпкой из шариковых тепловыделяющих элементов. Такой тип реактора считается пассивно безопасным, то есть, устраняет необходимость избыточных, активно безопасных систем. Поскольку эти реакторы предназначены для работы при высоких температурах, их можно охлаждать посредством естественной циркуляции, а также они могут выдерживать условия экстренных ситуаций, которые могут возникать повышение температуры реактора до 1600°C. Вдобавок, конструкция таких реакторов обеспечивает более высокий тепловой КПД, чем КПД более традиционных реакторов.
Как правило, большинство реактор с засыпкой из шариковых тепловыделяющих элементов содержат активную зону с рядом сферических топливных элементов (шариковых тепловыделяющих элементов). Шариковые тепловыделяющие элементы выполнены из пиролитического графита (действующего как замедлитель), и они содержат тысячи микрочастиц топлива, называемых частицами TRISO. Эти TRISO частицы топлива состоят из распадающегося материла -урана, тория или плутония, окруженного покрытым керамическим слоем карбида кремния, для придания структурной целостности и удержания продуктов распада. В стандартных реакторах с засыпкой из шариковых тепловыделяющих элементов активная зона заключена в цементный кожух, в котором циркулирует охлаждающий газ. Кроме того, отработавшее топливо, как правило, отводят из основания активной зоны, нагнетая новое топливо в верхнюю часть активной зоны. В данном случае удаление отработавшего топлива невозможно, и циркуляция охлаждающего газа не нужна, поскольку тепло из реактора используют для повышения температуры окружающей подстилающей породы. Следовательно, конструкция реактора с засыпкой из шариковых тепловыделяющих элементов для системы согласно настоящему изобретению нуждается в некоторой доработке.
Одна возможная конструкция активной зоны 200 реактора с засыпкой из шариковых тепловыделяющих элементов для применения в усовершенствованной геотермальной системе производства электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением показана на фиг.2. Как видно, активная зона содержит кожух 201, при этом в данном примере кожух выполнен из материала synroc или другого подходящего кожух. Кожух в данном случае является в целом цилиндрическим, и его размеры подходят для установки в ствол 108 скважины, в которой находится реактор. Основание кожуха 201 запечатано, верхний конец кожуха открыт, обеспечивая вставку шариковых тепловыделяющих элементов 205 для заправки реактора. В описанном примере верхний конец кожуха запечатан при помощи крышки 202, запечатывающей активную зону.
Крышка в данном случае содержит отверстие 203 для подключения составного шланга 204. Вдобавок к отверстию 203 крышка также содержит проушины для прикрепления тросов для обеспечения позиционирования активной зоны 200 реактора на соответствующей глубине в стволе 108 скважины. Составной шланг в данном случае применяют для протягивания ряда приборов, в том числе сенсорного оборудования для отслеживания работы реактора, например температуры, уровней радиации и т.д. Через составной шланг могут проходить каналы охлаждения для поддержания работы реактора на оптимальных уровнях для потребления топлива и теплопередачи. Специалисту в области техники также будет понятно, что составной шланг 204 может быть выполнен из соответствующего теплостойкого материала, способного выдерживать температуры свыше 500°C и обладающего достаточным сопротивлением на разрыв для выдерживания сдвигающих усилий и т.д., которым он может подвергаться внутри ствола скважины.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что пока охлаждающая жидкость может быть введена в активную зону реактора для оптимизации срока эксплуатации активной зоны реактора, это не крайне необходимо. В данном случае активная зона реактора способна работать при высоких температурах в течение продолжительного периода времени, при условии, что нагреть необходимо значительную тепловую массу.
Хотя приведенное выше описание активной зоны реактора предусматривает наполнение реактора распадающимися материалами до введения в ствол скважины, вероятность воздействия и возможного плавления активной зоны несколько увеличена. Соответственно, активная зона 200 реактора может быть опущена на безопасное расстояние в стволе 108 скважины перед добавлением топлива по составному шлангу или другому подобному трубопроводу для наполнения.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что нет необходимости удалять активную зону из ствола скважины после ее расположения на заданной глубине. После того, как запас топлива исчерпывается, ствол 108 скважины можно запечатать, и пробурить новую скважину для размещения новой активной зоны. Следовательно, радиоактивные остатки не выходят на поверхность со всеми отходами, содержащимися в зоне горячей сухой породы, которая сама является радиоактивной.
В других вариантах осуществления изобретения реакторы также можно применять для производства электричества традиционным способом вдобавок к электричеству, вырабатываемому геотермальной станцией. В таких случаях крышка или реактор могут быть установлены на теплообменнике, который при установке крышки способен удерживаться в активной зоне реактора, а задние концы теплообменника можно соединить с впускным и выпускным трубопроводами текучей среды. Следует понимать, что приведенные выше варианты осуществления представлены только в качестве примера настоящего изобретения, и что дополнительные изменения и усовершенствования, очевидные специалистам в данной области техники, подпадают под объем настоящего изобретения, описанного в настоящем документе.