Готовится к печати пособие «Конструирование ядерных реакторов в XXI веке»
Дата: 02/09/2022
Тема: Альтернативные источники энергии


Андрей Виноградов, к.т.н., гл. конструктор проектов

Проблема безопасности АЭС в Мире стала основной, поскольку после расплавления атомных реакторов - сначала на АЭС Three Mile Island, затем на АЭС Фукусима в 2011 году - стало ясно, что не только уран-графитовый кипящий реактор типа РБМК, но и водо-водяной реактор (ВВР), кипящий и не кипящий, не является безопасным. Фактически, в практике  использования ядерной энергетики не оказалось ни одно полностью безопасного типа ядерных установок.



Советский водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР) – основная «рабочая лошадка» современной ядерной энергетики - содержит врожденное свойство в случае перегрева расплавить своё ядерное топливо, находящееся в компактной форме большой массой в активной зоне. Упустив момент, уже нельзя предотвратить расплавление ядерного топлива, а далее, и расплавление толстостенного корпуса реактора, сколько бы ни заливать их водой. На сегодня уже ясно, что все атомные реакторы, в которых используется в качестве теплоносителя вода, имеют врожденные свойства кризиса теплообмена, что однозначно и предопределяет признание таких реакторов небезопасными.

АЭС с ВВР это мегапроект, с длительной стройкой, затратным обслуживанием и ремонтами. В случае аварии денежные расходы только на её ликвидацию могут превысить (по данным отчета аварии на АЭС Фукусима) стоимость самой АЭС и произведённой на ней электроэнергии. Значительные будут также экологические и моральные потери, в плане доверия со стороны населения к атомным технологиям. Нужно создавать новую технологию атомной генерации электроэнергии.

В последние года два была опробована идея гибридных силовых установок (ГСУ) для транспорта, в частности для авиации. В ГСУ разделены выработка электроэнергии  и выполнение функции движителя с помощью электродвигателя. Первыми были созданы ГСУ для самолётов малой авиации, в которых электроэнергия вырабатывалась электрогенератором, работающим от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) или  от турбины. Расход топлива уменьшился, но он всё равно был, и не маленький, что ограничивало максимальную длительность полета. Идея не нова, но только сейчас стало возможным выполнить установку большой мощности в малых габаритах и малой массы в фюзеляже самолета, применив концепцию атомного двигателя, который имеет врожденные свойства безопасности в плане разрушения и расплавления активной зоны атомного реактора, что в полёте особо важно.

Это направление работ также чрезвычайно востребовано, как и электрогенерация на суше. Экономическая эффективность атомной ГСУ в разы больше, нежели использование органического жидкого топлива для ДВС или турбины, вращающий электрогенератор для выработки электроэнергии. Конструкция активных зон атомных реакторов в обоих случаях, что для флота, что для авиации, что для суши практически одинаковы, и концепции безопасности практически одни и те же.

В статье д.ф.-м.н. А.Ю.Гагаринского от 18.08.2022 г. «Космический атом снова «выходит на орбиту», кратко изложено по открытым публикациям, что создано в космических атомных технологиях к настоящему моменту. Автор пишет: «В  1976  году  в испытаниях  реактора  ИВГ-1  на  Семипалатинском  полигоне  была достигнута  рекордная  температура  водорода  в  3100  К.  Называлось много причин, почему в конце 1980-х – начале 1990-х годов  работы  по  созданию  ядерных  двигателей  для  космических аппаратов  были  закрыты  и  в  СССР,  и  в  США, (хотя СССР на много лет опережал США).  Главная причина,  скорее всего,  состояла  в  том,  что  этот  технический  прорыв  опередил своё  время.  Оборонные  задачи  обеспечивались  прогрессом химических двигателей,  а потребность  в пилотируемых полётах  в дальний космос ещё на пришла».

Ядерная тяга в космосе

Интерес к ядерной тяге в космосе в последние годы вновь резко вырос после описанного торможения конструкторской мысли в этом направлении. На недавней конференции МАГАТЭ «Атом для космоса», в которой участвовало  500  человек  из  66  стран,  суммировали  варианты ядерных двигателей для космических исследований: - />

1. - «традиционная» двигательная установка, в которой ядерный реактор  нагревает  жидкое  топливо  (водород), превращающееся  в  газ,  расширяющийся  через  сопло  и  обеспечивающий тягу;

2. - ядерная  электрическая  двигательная  установка,  в  которой тепловая энергия реактора преобразуется в электрическую, а реактивную тягу создаёт ионизированный газ, ускоренный электрическим полем;

3. - ведутся исследовательские  работы по  двигателям  ядерного синтеза  с  преобразованием  энергии  заряженных  частиц  в движение (вспомним братьев Стругацких).

В  «Роскосмосе»  признают,  что  «дальние  полёты  людей  в космическое  пространство  невозможны  при  использовании нынешних  химических  реактивных  двигателей». Приоритетным  направлением  последнего  периода  стала также фактически  новая  сфера  применения  атома  –  источники  электроэнергии  на  поверхности  других  планет  –  «напланетные  АЭС».

Как Китай оказался впереди планеты всей

Для  Китая  создание  напланетного  реактора  –  амбициозный проект,  причём  представители  китайской  космической  отрасли сообщают  об  ускорении  плана  создания  лунной  базы  на  8  лет  – прилунение  первой  беспилотной  исследовательской  станции теперь планируют на 2027 год. Способная принимать космонавтов автономная  база  будет  китайско-российской. Автор д.ф.-м.н. А.Ю. Гагаринский считает, что по  имеющимся  данным, Китай  разрабатывает  мощный  компактный  высокотемпературный ядерный реактор  (порядка 1 МВт эл.) для своих миссий на Луну и Марс. Не такой уж и мощный реактор на самом деле!

И во всех этих разработках главным является вопрос о достижении максимальной возможной электрической мощности в минимальных габаритах и массы, а он неотрывно связан с максимально возможной мощностью сброса неиспользованного тепла в космосе, в безвоздушном пространстве. В  этой связи актуален принцип утилизации неиспользованного в термодинамическом цикле тепла, предложенный в «Атомном ионном двигателе Виноградова» (АИДВ). АИДВ позволяет иметь почти не ограниченную электрическую мощность одновременно, как для собственных нужд и внешних потребителей, так и для работы ионных разгонных блоков электроракетных двигателей в условиях космоса и в верхних слоях ионосферы.

В предложенной мною концепции безопасного атомного реактора для АЭС, флота и воздушно-космического транспорта заложены следующие принципы:

1. В активной зоне реактора используются шаровые твэлы с молибденовой герметичной капсулой для ядерного топлива и с прозрачной гидродинамической оболочкой (твэл-ШПГО), которые можно быстро извлечь (высыпать) из активной зоны.

2. В случае перегрева твэлов, они высыпается из компактной формы в активной зоне в специальный контейнер - «гробик», в котором твэлы находятся в сильно подкритичном состоянии, и они быстро охлаждаются в пропитке свинцом сами по себе воздухом в атмосфере Земли. А в космосе или в напланетном варианте АЭС  охлаждаются системой аварийного сброса тепла, сконструированной под условия эксплуатации: это может быть «капельная система» или излучатели, а может быть, ещё что-либо придумают.

3. Сигналом на извлечение твэлов принята температура в активной зоне, которая задаёт температурное удлинение стержня, являющегося «спусковым крючком» на раскрытие

 створок активной зоны и высыпание твэлов (никакой аппаратуры нет). Данная система безопасности гарантирует неразгон ядерного реактора при соблюдении одного принципиального условия – гарантированной покритичности РУ на мгновенных нейтронах.

4. Масса ядерного топлива в активной зоне определена ровно для обеспечения непрерывной работы энергоблока при мощности от 5 до 50 МВт эл. в течение 3-4-х лет, после чего топливо выгорает, и энергоблок целиком меняется заводом-изготовителем на новый.

5. Неиспользованное в термодинамическом турбинном цикле тепло предлагается поглотить реакцией фазового перехода вещества из жидкого в газообразное состояние, и выбросить этот газ просто в космос, или (что предпочтительнее) полученный газ использовать в смеси с рабочим телом в разгонном блоке атомного ионного ракетного двигателя для увеличения тяги.

 Для наземных и напланетных АЭС

В экономическом плане главный принцип концепции - завод-изготовитель  продаёт потребителю электроэнергию, тепло и установленную мощность, а всё налогообложение, экологические платежи, формирование резервных фондов, а также утилизация «железа»  и ОЯТ ложится на него. Потребитель освобожден от всех этих хлопот, в т.ч. никакой обслуги, ремонта и никаких строительных работ не требуется. Себестоимость 1 кВт*часа отпускаемой электроэнергии примерно будет такая же, как у газотурбинной установки на природном газе даже при умеренных, докризисных (2022 г.) мировых ценахaav на газ.

R1 Для земной электроэнергетики на месте микромодульной АЭС такого типа всегда останется только «Зелёная лужайка». Атомные тепло-электрогенерирующие установки на указанных выше принципах могут заменить ТЭС на угле, причем в  сущемтвующем здании и в черте города.

Для транспортных реакторов

Для флота, авиации и космоса, перефразировав главный принцип концепции, - завод-изготовитель продаёт потребителю гарантированные мощность и ресурс атомной ГСУ, атомного ионного ракетного двигателя, и обеспечивает её (его) замену на новую. Или обеспечивает системную серийную поставку атомных ионных ракетных двигателей. Т.е. это целый комплекс предприятий и служб, непрерывно работающих на обеспечение потребителей атомных технологий. Это быстрый оборот и денег, и продукции производства. Потребность всегда будет, и безработицы не будет. Это не мегапроект АЭС со сроком стройки от 5 и больше лет, а дальше спрос падает, и мегапроект АЭС не окупается, производство стопорится. 

В отношении газоохлаждаемых активных зон атомных реакторов. Предложенная концепция шарового твэла с гидравлически-прозрачной оболочкой уже сейчас может обеспечить уникальные мощностные характеристики. В дальнейшем возможно использование для охлаждения активной зоны атомного реактора слабо ионизированного потока некоторых газов, которые, согласно некоторым данным и предположениям, имеют способность больше снять тепла с поверхности тепловыделяющих элементов в активной зоне, нежели неионизированный газ. С другой стороны нет экспериментальных данных, как рабочее тело в виде слабо ионизированного газа будет взаимодействовать с лопаточным аппаратом газовой турбины. Это белые пятна в науке.

Более того, в перспективе возможно создание системы прямого преобразования энергии, когда импульсное движение такого ионизированного рабочего тела через активную зону атомного реактора позволит создать принципиально новый способ генерации электроэнергии взамен системы «турбина+электрогенератор». Импульсное изменение движения ионизированного потока создаст изменение магнитного поля вокруг него, которое можно специальными обмотками магнитного устройства преобразовать в электрический ток. Например, как предложено сделать в «Атомном плазмо-акустическом электрогенераторе».

Данное пособие подскажет путь конструирования принципиально новых физико-энергетических объектов атомной техники нынешним студентам ВУЗов России, которые  станут учеными России в 21-ом веке.

Жду от читателей честных мнений и советов по существу.

P.SЕсть замечательная персидская поговорка о конце огромной империи Тамерлана (Тимура), которая применима сегодня и к «империи Средмаша СССР» относительно кадров, знаний и кругозора сотрудников, и главное, к системе непрерывного обучения молодых и пожилых сотрудников отрасли:

 ( «Когда лев состарится, он станет посмешищем для собак и шакалов»).

"Трусы и хитрецы воспользуются моментами вашей слабости. Остерегайтесь их". - Заканчивает летопись про Тимура автор. Актуальный совет на все времена.

                                     Макет обложки сигнального издания Пособия

 







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=10221