ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)
NUCLEAR POWER INSTALLATION (OPTIONS)

Изобретение относится к ядерной (атомной) технике, а именно: к конструкциям ядерных энергетических установок, служащих для получения тепловой и электрической энергии на атомных электростанциях, в части преобразования тепловой энергии в электрическую.
1. Уровень техники
В настоящее время преимущественно применяются два типа ядерных реакторов, являющихся основными элементами ядерной энергетической установки: на тепловых нейтронах с энергиями преимущественно (0,005-0,2) эВ и на быстрых нейтронах с энергиями преимущественно (0,1-10) МэВ [1].
Ядерный реактор на тепловых нейтронах включает активную зону с ядерным топливом, замедлитель быстрых нейтронов и теплоноситель для съема тепловой энергии.
Ядерный реактор на быстрых нейтронах включает активную зону с ядерным топливом и теплоноситель для съема тепловой энергии.
Независимо от типа ядерного реактора, применяемого в ядерной энергетической установке, преобразователь тепловой энергии в электрическую основан, как правило, на двух элементах: парогенераторе и паровой турбине.
Тепловая схема ядерной энергетической установки может быть одно-, двух- и трехконтурной. Одно- и двухконтурные схемы применяют преимущественно с ядерными реакторами на тепловых нейтронах с водным теплоносителем, трехконтурные - преимущественно с ядерными реакторами на быстрых нейтронах, например, с натриевым теплоносителем [2, 4, 8].
В одноконтурной схеме пар вырабатывается непосредственно в ядерном реакторе, поэтому отдельное оборудование в виде парогенератора отсутствует. Полученная пароводяная смесь подается в барабан-сепаратор, отсепарированный насыщенный пар поступает в паровую турбину. Отработавший в турбине пар конденсируется, и конденсат после подогрева с помощью циркуляционного насоса подается в ядерный реактор. В такой схеме теплоноситель является одновременно и рабочим телом в паросиловом цикле.
В двухконтурной схеме теплоноситель и рабочее тело движутся по самостоятельным контурам, общим оборудованием для которых является парогенератор. Контур теплоносителя называется первым, а контур рабочего тела -вторым. Нагретый в ядерном реакторе теплоноситель поступает в парогенератор, отдает свою теплоту рабочему телу и главным циркуляционным насосом возвращается в ядерный реактор. В системе первого контура находится компенсатор давления (объема), регулирующий давление в контуре при изменении температуры и других факторов. Полученный в парогенераторе пар подается в турбину, совершает в ней работу и конденсируется. Конденсат питательным насосом подается после подогрева в парогенератор.
Использование в качестве теплоносителя жидкого натрия, который становится радиоактивным в нейтронном поле, вызывает необходимость применения трехконтурной схемы. С точки зрения расходования ядерного топлива более экономичными являются ядерные реакторы на быстрых нейтронах. Однако ядерная энергетическая установка с использованием ядерного реактора на быстрых нейтронах значительно усложняется за счет необходимости применения многоконтурной тепловой схемы. Поэтому ядерные реакторы на тепловых нейтронах в настоящее время применяются на равных с реакторами на быстрых нейтронах.
Физический смысл работы современных ядерных энергетических установок можно охарактеризовать, как двухступенчатое преобразование энергии. Вначале тепловая энергия, возникающая в результате деления тяжелых ядер нуклидов, напрямую или опосредованно передается носителю в виде водяного пара, затем тепловая энергия преобразуется в механическую энергию паровой турбины, а при вращении паровой турбины механическая энергия преобразуется в электрическую. Наличие промежуточной ступени приводит к дополнительным потерям энергии. Кроме того, наличие механически вращающихся элементов конструкции приводит к усложнению установки и снижению ее надежности.
2. Сущность предлагаемого изобретения
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в ядерной энергетической установке применяется прямое экономичное одноступенчатое преобразование тепловой энергии в электрическую с отсутствием механически вращающихся элементов конструкции.
3. Технический результат
3.1. Технический результат, достигаемый ядерной энергетической установкой по п. 1
Технический результат достигается тем, что ядерная энергетическая установка состоит из ядерного реактора на тепловых нейтронах с ядерным топливом в виде делящихся нуклидов с тяжелыми ядрами, замедлителя, теплоносителя и преобразователя энергии, причем газообразный или жидкий теплоноситель содержит электрически заряженные частицы и/или ионы, преобразователь энергии выполнен в виде трансформатора с первичной обмоткой в форме трубы, спирально намотанной на сердечник трансформатора, по которой перемещается теплоноситель с включенными в него электрически заряженными частицами и/или ионами, и вторичной обмоткой, выполненной изолированным электрическим проводником, перед первичной обмоткой трансформатора или после нее установлен прерыватель потока, обеспечивающий переменное с течением времени давление в потоке теплоносителя, а за названным прерывателем и первичной обмоткой трансформатора установлено устройство для поддержания стабильной температуры теплоносителя в потоке после прохождения первичной обмотки трансформатора, состоящее, в основном, из холодильника, нагревателя и измерителя температуры теплоносителя в потоке.
Используемые в ядерном реакторе на тепловых нейтронах урановые таблетки содержат смесь изотопов  и  (в обогащенных таблетках содержание  составляет до 4,4% от общего количества урана) [3]. Известно, что  и  относятся к веществам, подверженным α-распаду [4]. Кроме того, α - частицы (альфа-частицы) выделяются в ряде других ядерных реакций, происходящих в ядерных реакторах. Альфа-частица является заряженным ядром атома гелия (ионом - ионизированным атомом гелия). Из этого следует, что, проходя через активную зону, теплоноситель захватывает часть альфа-частиц и выносит их за пределы реактора к преобразователю энергии. Аналогично могут рассматриваться электроны, возникающие в процессе β-распада в некоторых ядерных реакциях.
1
2
2
1
При входе в активную зону теплоноситель имеет температуру Т. В активной зоне теплоноситель нагревается до температуры Т (Т>Т) теплом, выделяющимся в процессе ядерных реакций. Разность температур теплоносителя на входе и выходе из активной зоны приводит к появлению разности давлений и перемещению теплоносителя по замыкающему контур трубопроводу с встроенной первичной обмоткой трансформатора.
Одновременно с теплоносителем по трубе первичной обмотки трансформатора перемещаются заряженные частицы и/или ионы. По определению [5], постоянным электрическим током называют направленное упорядоченное движение частиц и/или ионов, несущих электрические заряды. Следовательно, перемещение по трубе первичной обмотки теплоносителя с включенными в него электрически заряженными частицами и/или ионами приведет к появлению в первичной обмотке трансформатора постоянного электрического тока.
Работа электрического трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Суть явления состоит в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего какой-либо контур, независимо от того, чем вызвано изменение потока, в контуре наводится электродвижущая сила (э.д.с.) «е».
Наведенная или индуцированная (э.д.с.) «е»прямо пропорциональна скорости изменения потокосцепления контура «ϕ»:
Потокосцепление контура «ϕ» равно алгебраической сумме потоков, пронизывающих отдельные витки обмотки:
1
2
n
ϕ=Ф+Ф+…+Ф
Если все витки обмотки «ω» пронизываются одним и тем же потоком «Ф», то будет выполняться следующее соотношение:
ϕ=ωФ
С другой стороны, для контуров (обмоток) с неферромагнитным сердечником или для обмоток с сердечником из магнитодиэлектриков, у которых относительная магнитная проницаемость «μ» почти постоянна и не зависит от напряженности магнитного поля, потокосцепление прямо пропорционально электрическому току:
ϕ=Li
Где L - индуктивность;
i - электрический ток.
Индуктивность «L» зависит от геометрических размеров обмотки и от числа витков «ω», но не зависит от величины тока, протекающего по обмотке [5].
По определению [6], сила тока равна количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника в единицу времени:
Где q - суммарный заряд (количество электричества);
t - время.
Изменяя прерывателем поток теплоносителя через трубу первичной обмотки, мы изменяем число электрически заряженных частиц (ионов), проходящих через трубу первичной обмотки в единицу времени, что означает изменение тока в первичной обмотке. При этом следует понимать, что прерыватель потока может перекрывать трубу только частично, не прекращая перемещение потока полностью.
Изменение тока приведет к изменению потокосцепления и, соответственно, к появлению индуцированной э.д.с. во вторичной обмотке. Если вторичная обмотка разомкнута, то между ее концами возникнет разность потенциалов, если она замкнута на какую-то нагрузку, то в цепи вторичной обмотки потечет электрический ток.
Это будет означать, что тепловая энергия, вызвавшая направленное перемещение теплоносителя, а вместе с ним заряженных частиц (ионов) по первичной обмотке трансформатора, привела к появлению электрического тока в ней. Вследствие периодической работы прерывателя в токе возникла переменная составляющая, индуцировавшая э.д.с. во вторичной обмотке, что выразилось в частичном преобразовании тепловой энергии в электрическую. Таким образом, произошло прямое преобразование тепловой энергии в электрическую без использования вращающихся элементов конструкции преобразователя, то есть, статичных.
В настоящее время известно устройство, обеспечивающее прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Это МГД-генератор (магнитогидродинамический генератор). В МГД-генераторе энергия рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрическую энергию.
Как следует из Фиг. 1, по каналу 1 перемещается поток электропроводящей жидкости или газа 2. В условно изображенном электромагните 3 создается магнитное поле 5 с напряженностью «H», направленное перпендикулярно потоку 2. При пересечении потоком 2 линий напряженности магнитного поля 5 за счет явления электромагнитной индукции в проводнике 4 наводится э.д.с. или электрический ток (если цепь замкнута) [1, 7].
Однако МГД-генератор имеет ряд недостатков:
- необходим электромагнит, создающий сильное магнитное поле, что делает конструкцию затратной;
- необходима высокая проводимость теплоносителя, что для газа означает почти полную ионизацию (практически, превращение в плазму).
Считается возможным создание МГД-генератора с использованием сверхпроводящих электромагнитов (применение в обмотках электромагнитов сверхпроводников). Но и в этом случае, близкое соседство потока плазмы и криостата с жидким гелием создает серьезные проблемы с реализацией такого решения. Но даже в случае реализации МГД-генератора, оборудование для создания мощного магнитного поля очень дорогое, что подтверждает экономичность предлагаемого в данном изобретении преобразователя.
2
В качестве теплоносителя целесообразно использовать легкую воду, преимущественно содержащую вещество с химической формулой «HO», что обусловлено ее мало затратным получением и широкой распространенностью в природе.
2
В качестве теплоносителя целесообразно использовать тяжелую воду, преимущественно содержащую вещество с химической формулой «DO». Тяжелая вода трудоемка и дорогостояща в изготовлении, но она в меньшей степени, по сравнению с легкой водой, поглощает нейтроны и применима для канальных водо-графитовых реакторов [4].
В случае необходимости использования в преобразователе энергии большего количества электрически заряженных частиц (ионов) в потоке теплоносителя целесообразно перед поступлением теплоносителя в активную зону ядерного реактора в трубопровод первого контура встроить установку, обеспечивающую введение в поток теплоносителя дополнительных электрически заряженных частиц (ионов).
Если конструкция ядерного реактора требует повышенное значение давления в потоке теплоносителя на входе в активную зону, целесообразно перед вводом теплоносителя в активную зону установить дополнительно насос (газодувку [9]).
С целью обеспечения минимальных затрат на изготовление названного трансформатора целесообразно сердечник трансформатора выполнить из диэлектрических материалов с низкой стоимостью.
С целью увеличения магнитного потока через сердечник названного трансформатора целесообразно изготавливать сердечник трансформатора частично или полностью из материалов с относительной проницаемостью большей единицы.
Так как э.д.с. равна:
то, чем больше магнитный поток, тем больше э.д.с, наводимая во вторичной обмотке. А поток прямо пропорционально зависит от относительной магнитной проницаемости. Поэтому, чем больше относительная магнитная проницаемость, будучи при этом больше единицы, тем больше наводимая э.д.с. и больше эффект от преобразования тепловой энергии в электрическую.
С целью обеспечения экономичности названного трансформатора целесообразно трубу названной первичной обмотки выполнить из диэлектрического материала, например, из термопластичного полимера.
С целью снижения коэффициента гидравлического трения целесообразно трубу названной первичной обмотки выполнить из металла, например, из латуни.
С целью оптимизации конструкции преобразователя энергии целесообразно выполнить его комбинированным, состоящим из названного трансформатора и дополнительно включенных парогенератора и паровой турбины.
3.2 Технический результат, достигаемый ядерной энергетической установкой по п.11
Технический результат достигается тем, что ядерная энергетическая установка состоит из ядерного реактора на быстрых нейтронах с ядерным топливом в виде делящихся нуклидов с тяжелыми ядрами, теплоносителя и преобразователя энергии, причем газообразный или жидкий теплоноситель содержит электрически заряженные частицы и/или ионы, преобразователь энергии выполнен в виде трансформатора с первичной обмоткой в форме трубы, спирально намотанной на сердечник трансформатора, по которой перемещается теплоноситель с включенными в него электрически заряженными частицами и/или ионами, и вторичной обмоткой, выполненной изолированным электрическим проводником, перед первичной обмоткой трансформатора или после нее установлен прерыватель потока, обеспечивающий переменное с течением времени давление в потоке теплоносителя, а за названным прерывателем и первичной обмоткой трансформатора установлено устройство для поддержания стабильной температуры теплоносителя в потоке после прохождения первичной обмотки трансформатора, состоящее, в основном, из холодильника, нагревателя и измерителя температуры теплоносителя в потоке.
Изначально, в ядерный реактор на быстрых нейтронах загружается ядерное сырье в виде нуклида  с небольшим включением нуклида  [2], в результате трансмутации превращающегося в нуклид  [8] в процессе расширенного воспроизводства, который поддерживает ядерную цепную реакцию и является собственно ядерным топливом для ядерного реактора на быстрых нейтронах. Все три перечисленных нуклида являются альфа-активными, то есть, претерпевающими альфа-распад в результате которого появляются заряженные альфа-частицы, увлекаемые теплоносителем по направлению к преобразователю энергии за счет разности температур теплоносителя, нагретого в ядерном реакторе и поступающего на вход в ядерный реактор.
Прохождение теплоносителя несущего альфа-частицы по первичной обмотке трансформатора равносильно протеканию тока. Прерыватель превращает протекающий ток в переменный. За счет явления электромагнитной индукции во вторичной обмотке возникает э.д.с, а при наличии нагрузки - вторичный ток через нагрузку. Это и подтверждает превращение тепловой энергии в электрическую. Отсутствие механически перемещающихся частей подтверждает простоту преобразователя. В сравнении с известным МГД-генератором предлагаемое устройство более экономично.
Ядерные реакторы на промежуточных нейтронах в зависимости от наличия или отсутствия замедлителя относятся к первому варианту с ядерным реактором на тепловых нейтронах или ко второму варианту с ядерным реактором на быстрых нейтронах, соответственно.
Если в качестве электрически заряженных частиц использовать альфа-частицы, то в качестве теплоносителя в ядерной энергетической установке целесообразно применять инертный газ - гелий, тогда поток, состоящий из атомов гелия и альфа-частиц, будет практически однородным.
Если в качестве теплоносителя в ядерной энергетической установке использовать металлический натрий в жидком состоянии, как это сделано в некоторых действующих реакторах [4, 8], то в качестве заряженных частиц целесообразно использовать электроны, также возникающие в активной зоне в процессе β- распада и застревающие в потоке жидкого металла.
В качестве теплоносителя в ядерной энергетической установке целесообразно использовать свинцово-висмутовую смесь, превращающуюся в жидкость при достаточно низких температурах, в качестве электрически заряженных частиц следует использовать электроны, которые дополнительно могут вводиться с помощью ускорителя.
В случае необходимости использования в преобразователе энергии большего количества электрически заряженных частиц (ионов) в потоке теплоносителя целесообразно перед поступлением теплоносителя в активную зону ядерного реактора в трубопровод первого контура встроить установку, обеспечивающую введение в поток теплоносителя дополнительных электрически заряженных частиц (ионов).
Если конструкция ядерного реактора требует повышенное значение давления в потоке теплоносителя на входе в активную зону, целесообразно перед вводом теплоносителя в активную зону установить дополнительно насос (газодувку при использовании теплоносителя в виде газа).
С целью обеспечения минимальных затрат на изготовление названного трансформатора целесообразно сердечник трансформатора выполнить из диэлектрических материалов с низкой стоимостью.
С целью увеличения магнитного потока через сердечник названного трансформатора целесообразно изготавливать сердечник трансформатора частично или полностью из материалов с относительной проницаемостью большей единицы.
Так как э.д.с.равна:
то, чем больше магнитный поток, тем больше э.д.с, наводимая во вторичной обмотке. А поток прямо пропорционально зависит от относительной магнитной проницаемости. Поэтому, чем больше относительная магнитная проницаемость, будучи при этом больше единицы, тем больше наводимая э.д.с. и больше эффект от преобразования тепловой энергии в электрическую.
С целью обеспечения экономичности названного трансформатора целесообразно трубу названной первичной обмотки выполнить из диэлектрического материала, например, из термопластичного полимера.
С целью снижения коэффициента гидравлического трения целесообразно трубу названной первичной обмотки выполнить из металла, например, из латуни.
С целью оптимизации конструкции преобразователя энергии целесообразно выполнить его комбинированным, состоящим из названного трансформатора и дополнительно включенных парогенератора и паровой турбины.
4. Примеры выполнения
Предлагаемое изобретение поясняется примерами выполнения, представленными на чертежах:
- Фиг. 2 - схематическое изображение названной первичной обмотки трансформатора;
- Фиг. 3 - схематическое изображение названного трансформатора в поперечном сечении.
На Фиг. 2 схематически показана названная первичная обмотка 7 трансформатора, намотанная на сердечник 6 трансформатора. В ядерной энергетической установке названная первичная обмотка 7 трансформатора встроена в трубопровод первого контура тепловой схемы и по ней поступает поток теплоносителя 2.
На Фиг. 3 схематически показан радиальный срез названного трансформатора, на котором в центре расположен сердечник 6 трансформатора, вокруг сердечника 6 намотана по спирали названная первичная обмотка 7 трансформатора в виде трубы с выходным отверстием 8, поверх первичной обмотки 7 наложена по спирали вторичная обмотка 9 в виде изолированного электрического проводника с условным срезом 10 в поперечном сечении и защитный корпус 11 трансформатора.
Производство названного трансформатора для предлагаемой ядерной энергетической установки не создает трудноразрешимых технических проблем. Наложение названной первичной обмотки 7 по спирали вокруг сердечника 6 необходимо производить (для труб, изготовленных из полимеров или металлов) при повышенных температурах, обеспечивающих пластичность материалов с заполнением трубы мелкодисперсными минеральными или кристаллическими веществами. Например, песком. Такие технологии известны. Вторичную обмотку накладывают на обмоточной машине.
5. Список литературы
1. В.Г. Родионов «Энергетика. Проблемы настоящего и возможности будущего», М., «ЭНАС», 2010 г.
2. М.X. Ибрагимов «Атомная энергетика. Физические основы», М., «Высшая школа», 1987 г.
3. А.М. Афров, С.А. Андрушечко и др. «ВВЭР - 1000: физические основы эксплуатации, ядерное топливо, безопасность», М., Логос, 2006 г.
4. В.А. Апсэ, А.И. Ксенофонтов и др. «Физико-технические основы современной ядерной энергетики. Перспективы и экологические аспекты»», Издательский дом «Интеллект», г. Долгопрудный, 2014 г.
5. Л.А. Бессонов «Теоретические основы электротехники», М., Издательство «Высшая школа», 1973 г.
6. Д.В. Сивухин «Общий курс физики. Электричество» т. 3, М., Физматлит МФТИ, 2002 г.
7. И.И. Новиков «Термодинамика», М., «Машиностроение», 1984 г.
8. В.И. Матвеев, Ю.С.Хомяков «Техническая физика быстрых реакторов с натриевым теплоносителем», М., Издательский дом МЭИ, 2012 г.
9. Л.С. Стерман, В.М. Лавыгин, С.Г. Тишин «Тепловые и атомные электрические станции», М., Издательский дом МЭИ, 2010 г.