Атомный двигатель Виноградова
Дата: 03/09/2019
Тема: Интеллектуальная собственность


А. А. Виноградов, к.т.н., главный конструктор проектов АО «СИЛА ОКЕАНОВ»

The Atomic engine by Vinogradov is the compact physics-energy machine, in which the atomic energy, which is the result by nucleus fissions of heavy element under the action of neutron, will convert in mechanical energy of the rotation. Атомный двигатель Виноградова это компактная физико-энергетическая машина, которая атомную энергию, выделяемую в результате деления ядер тяжелых элементов под действием нейтронов, преобразует в механическую энергию вращения вала.



За 17 - 20 века было изобретено множество различных двигателей, и инженеров остались на слуху названия двигателей по именам их изобретателей. Например, для двигателей внутреннего сгорания имена Бенца, Даймера, Дизеля, Костовича, для роторного двигателя - Ванкеля, для двигателей внешнего сгорания – Стирлинга, запомнились реактивные двигатели -  Цандера, Брауна, турбинный двигатель Ловаля  и  др.  

Все эти двигатели, во-первых, используют для нагрева рабочего тела процесс горения (окисления) органического топлива, а именно, дров, нефтепродуктов, газов или угля. Во-вторых, не используемое тепло в термодинамическом цикле, определяемое значением его КПД, и продукты горения, в основном это углекислый газ (СО2), выбрасываются в окружающую среду усиливая парниковый эффект. Органическое топливо обладает почти на три порядка меньшей теплотворной способностью по сравнению с атомной энергией деления ядра. Следовательно, и большую мощность двигателя без выброса СО2 можно получить при меньших габаритах и массе, если использовать атомную энергию. Однако как организовать бескризисный теплосъём с компактной тепловыделяющей поверхности ядерного топлива это сложная задача для конструктора атомного двигателя (АД). Т

акже есть проблема и в сбросе в окружающую среду неиспользованного в термодинамическом цикле тепла, сохранив малые размеры АД. Чем меньше КПД, тем больше мы вынуждены сбрасывать тепла и греть планету Земля. И самое главное, АД должен быть абсолютно безопасным сам по себе без внешней помощи, а не применять внешние средства безопасности в виде оболочек и т.п.

Если АД сделать легко сменяемым (к примеру, за 8 часов), то нет необходимости стремиться увеличивать срок его эксплуатации, делать его «вечным» и делать перегрузку топлива. Эксплуатационные хлопоты у АД должны быть минимальны. Можно сделать так, что АД полностью изготавливается и налаживаться на заводе. Тогда мы получим полный оборот, и по ядерному топливу, без перегрузок, и оборот самого «железа».  Завод будет загружен на полную мощность, выполняя замену изношенных деталей АД и загрузку ядерным топливом. В то время как спрос на АЭС тысячники уже сейчас пропадёт. По-видимому, атомный и термоядерный двигатель, в обозримом будущем будут последними в линейке двигателями, преобразующие скрытую энергию топлива в механическую энергию.  

Атомный двигатель по габаритам и массе, по простоте управления, по скорости разогрева и набору нагрузки, в большей степени подобен двигателю внутреннего сгорания (ДВС), нежели существующим ядерным реакторам. АД может быть применён для вращения электрогенератора АЭС малой мощности (АСММ) подводного базирования [1, 2] скрытного  энергоснабжения обособленных поселений и специальных объектов, морских баз с мощностью потребления до 100 МВ*А. Особую актуальность имеет применение АД для привода водяных реактивных движителей [3] во флоте, для ледоколов и подводных лодок.

 

Немного о истории двигатеей  

Двигатель  внутреннего  сгорания (ДВС)  — это  разновидность  теплового двигателя,  в  котором  топливо сгорает   непосредственно  в  рабочей камере  (внутри)  двигателя.  Тем самым,  топливная  смесь и является рабочим  телом  таких  двигателей. Такой  двигатель  является химическим, и преобразует  энергию сгорания  топлива  в  механическую работу [4].  Не использованное тепло и продукты горения, СО2, СО, SO2 , окси азота (NOx) и пр., выбрасываются в окружающую среду. При этом экология страдает значительно. ДВС имеет кривошипно-шатунный механизм, подшипники и другие изнашиваемые детали, что предопределяет его относительно малый ресурс работоспособности, 8-17 тыс. часов. 

В  создание  различных типов ДВС  внесли  наибольший  вклад  такие  инженеры [5, 6]  как:

1791 - Джон Барбер, изобретение газовой  турбины;

1794 - Роберт   Стрит, патент   на  двигатель  на жидком  топливе;

1799 - Филипп Лебон, открытие  светильного  газа, в 1801 - первый  газовый  двигатель;

1807 - Франсуа Исаак  де  Риваз, первый поршневой двигатель;

1860 - Жан Этьен Ленуар, газовый двигатель Ленуара;

1861 - Николаус Отто, двигатель  с  искровым  зажиганием  и  сжатием  смеси,  четырёхтактный  двигатель  в 1876-м;

1897 - Рудольф Дизель, двигатель  Дизеля  на  угольной  пыли;

1880-е  одновременно Готлиб  Даймлер,  Вильгельм Майбах, Огнеслав Степанович Костович, бензиновый мотор с карбюратором;

1899 - Густав Васильевич Тринклер,  дизельные  двигатели  на  жидком  топливе;

1930 - Вернер  фон  Браун, реактивные  и турбореактивные  двигатели, 

и  другие.    

Вначале ДВС развивались с отставанием от  паровых машин (так, паровой насос для откачки воды был изобретён Томасом Севери в 1698 году), обусловленным отсутствием подходящего горючего. Сама идея ДВС  была  предложена Христианом  Гюйгенсом  ещё  в  1678  году,  в  качестве  топлива  нидерландский учёный предлагал использовать порох. Англичанин Этьен Барбер  пытался  использовать  для  этого смесь воздуха с газом, полученным при нагреве древесины. В 1903 году, норвежский изобретатель Эгидий Эллинг построил первую газовую турбину, развивавшую мощность в 11 лошадиных сил. Патент на это изобретение он получил ещё в 1884 году. Сравнительно недавними, в 1957 году были разработки роторно-поршневого двигателя Ванкеля [7]. В ноябре 1959 года, одна из узнаваемых фирм байков, NSU официально объявила о разработке работающего роторного мотора. За короткое время около 100 компаний во всём мире заполучили лицензии на эту технологию, при всем этом 34 из них были японскими. В 1974 ком. Hercules первой выпустила в массы мотоциклы серии Wankel (W-2000), с  роторными двигателями KC-27 от "Sachs". 

Термины и определения. Газовая турбина  (фр.  turbine  от   лат .  turbo —  вихрь,  вращение) — это лопаточная машина, в  ступенях которой  энергия  сжатого и/или нагретого  газа  преобразуется  в  механическую  работу вращения  на валу [8, 9, 10].

 

Про турбину в России

У турбины основными  элементами конструкции являются ротор (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статор, именуемый сопловым  аппаратом  (направляющие  лопатки,  закреплённые  в корпусе). Газовые  турбины [10]  используются  в  составе  газотурбинных двигателей,  стационарных  газотурбинных  установок  (ГТУ)  и парогазовых установок (ПГУ). Первую в мире газовую реверсивную турбину сконструировал русский инженер и изобретатель Павел Дмитриевич  Кузьминский  в  1887   году.  Его  10-ступенчатая  турбина  работала  на  парогазовой  смеси, получаемой  в  созданной  им  же  в  1894  году  камере  сгорания, которую он назвал  «газопарород» [11].

Кузьминский применил  охлаждение  камеры  сгорания  водой.  Вода  охлаждала  стенки  и  затем  поступала  внутрь камеры. Подача воды снижала температуру и в то же время увеличивала массу газов, поступающих в турбину,  что  должно  было  повысить  эффективность  установки.

В  1892  году  П.Д.Кузьминский испытал  турбину  и  предложил  её  военному  министерству  в  качестве  двигателя  для  дирижабля  его собственной  конструкции.

В  1897  году  на  Петербургском  патронном  заводе  была  построена действующая  газовая  турбина [8], которую  изобретатель  готовил  к  показу  на  Всемирной  выставке  в Париже в 1900 году, однако не дожил до неё несколько месяцев.

Одновременно  с  Кузьминским  опыты  с  газовой  турбиной  (в  качестве  перспективного  двигателя  для торпед) проводил также Чарльз Парсонс, однако он вскоре пришёл к выводу, что имеющиеся сплавы из-за низкой жаропрочности не позволяют  создать надёжный механизм,  который приводился бы в движение струёй раскалённых газов либо парогазовой  смесью, после чего  сосредоточился на  создании паровых турбин [11, 12, 13, 14]. 

На рис. 1 фотография макета современного газотурбинного ДВС в разрезе. В качестве топлива используется авиационный керосин.

 

Рис. 1.

Двигатели внешнего сгорания — это класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от  рабочего тела [15].  К этому классу относятся паровоз, паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые  турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей. Обособленно стоит двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга [16] был в первый раз патентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (британский патент № 4081). После изобретения ДВС, в конце XIX века, рынок для двигателей внешнего сгорания  исчез.  Стоимость  производства  двигателя  внутреннего  сгорания  ниже  по  сравнению  со стоимостью производства двигателя внешнего сгорания.

Атомный турбинный двигатель — это класс двигателей, где источником тепла является энергия деления ядер химических элементов, а преобразователем тепловой энергии в механическую энергию вращения является турбина [17]. Передача тепла от реактора к турбине производится теплоносителем, возможно жидкометаллическим, но, в большинстве случаев, газовым или йонномодифицированным.

К этому классу двигателей можно отнести, например, атомный газотурбинный двигатель Болотина, патент RU 2336429. Однако, его конструкция чрезвычайно сложна, газовая турбина работает от сжигания жидкого топлива, и привязана в большей степени к двигателю Стирлинга, включённый в термодинамический цикл турбины. Атомный газотурбинный двигатель Болотина [17] содержит и ядерный реактор, который обособлен от двигателя и соединен с ним трубопроводами рециркуляции теплоносителя, который передаёт тепло от ядерного реактора теплообменнику подогрева рабочего тела. В качестве теплоносителя предлагается натрий. Предполагается использовать энергию от реактора только на марше.

Турбореактивный двигатель с ядерным реактором [18], СССР 1955-57 г., см. рис. 2, состоит из осевого лопаточного компрессора, корзины активной зоны ядерного реактора, газовой турбины и сопла выхлопа, в современном исполнении с изменяемым вектором направления тяги. В качестве рабочего тела и одновременно теплоносителя используется воздух. Схема движения рабочего тела незамкнутая, одноконтурная, прямоточная. Газовая турбина находится на одном валу с компрессором. Вал проходит через корзину активной зоны реактора, и должен выдерживать высокую температуру. Атомный реактор одноходовой, выполнен кольцевой формы вокруг вала. Турбореактивный двигатель с атомным реактором (ТРДА) по конструкции очень сильно напоминает обычный турбореактивный двигатель (ТРД). Только если в ТРД тяга создается расширяющимися при сгорании керосина раскаленными газами, то в ТРДА воздух нагревается, проходя через реактор (1957 г.).

 

Рис. 2.

Активная зона авиационного атомного реактора на тепловых нейтронах набиралась из керамических тепловыделяющих элементов, в которых имелись продольные шестигранные

каналы для прохода нагреваемого воздуха. Расчетная тяга разрабатываемого двигателя должна была составить 22,5 т. Рассматривалось два варианта компоновки ТРДА — «коромысло», при котором вал компрессора располагался вне реактора, и «соосный», где вал проходил по оси реактора. В первом варианте вал работал в щадящем режиме, во втором требовались специальные высокопрочные материалы. Но,  соосный вариант обеспечивал меньшие размеры двигателя. Во всех проектах  ТРДА атомную энергию, возникающую в результате деления тяжелых элементов под действием нейтронов, не преобразует в механическую энергию вращения вала для привода внешних механизмов, например, электрогенератора.

 

Ядерные энергетические установки сегодня

В атомных реакторах, даже с газовым теплоносителем, для выработки электроэнергии использован совершенно иной подход в конструировании АЭС, см. рис. 3. Исторически так сложилось, что конструкцию ядерной энергетической установки стали делать подобно обычной тепловой электрической станции с котлом и турбиной. И этот подход конструирования уже почти сто лет сохраняется в ущерб делу, и против разума, превратился в догму. Такая конструкция уже не востребована и снижает спрос на атомную энергетику. А именно, все узлы преобразования энергии выполнены отдельно друг от друга [19], размещены  в   отдельных помещениях и соединены между собой трубопроводами, оснащены насосами, задвижками и т.п. Конструкцию каждого узла  делал отдельный коллектив (институт) конструкторов.

Рис. 3.

Получили в итоге сложную тепловую схему, сложнейшую схему управления и контроля с огромным количеством измеряемы и регулируемых параметров,  с большим щитом перед оператором, большой объём строительства и наладки, десятки километров кабелей, сотни гектаров занятой площади под АЭС. Правда, некоторые КБ стали делать интегральную конструкцию реактора и парогенератора, но это не решило в корне проблемы габаритов и снижения стоимости АЭС. С точки зрения экологии «зелёной лужайкой и не пахнет» на месте АЭС после завершения её эксплуатации и утилизации, см. рис. 4 (фото площадки Чернобыльской АЭС с реактором РБМ-К после аварии). В США за проект АЭС «зелёная лужайка» доплачивают и не берут некоторые налоги. Уровень технологи строительства и сама конструкция АЭС в ГК «Росатом» настолько устарели, что соответствуют середине прошлого века. И эту старую  технологию в «Стратегии-2018» развития ГК называют инновационной [20]. Это откровенная ложь, смесь шарлатанства и конъюнктурного сговора [21]. У  «Росатома» площадка из-под любой, даже из-под самой современной их модели АЭС, никогда не станет зелёной. В 21-ом веке ГК «Росатом» обязана прекратить строить АЭС с небезопасными форсированными ВВЭРами тысячниками. Надо искать иной уход от банкротства корпорации, а не тратить бюджетные деньги народа России на кредиты для строительства заведомо неокупаемых АЭС.

Рис. 4.

Высокий уровень техногенных аварий — неизбежное следствие неуважения к науке, коррупции и падения профессионализма, наплевательского отношения к работе людей, которые заняли свой пост не по способностям, а из кумовства и протекции. Чем больше подробностей узнаешь об очередной катастрофе, тем крепче убеждение — трагедия была запрограммирована. Головотяпство, ротозейство, равнодушие, непрофессионализм становятся нормой жизни. После очередной трагедии думаешь: иначе быть не может, и где еще грохнет?[22].   

Ещё в 2009 году г-жа Т.Д.Щепетина (ИЯР РНЦ «Курчатовский институт») отметила[22]: - «Экономические  условия  являются,  как  правило,  первопричиной  возникновения  войн,  определяют  ее характер  и  силы,  средства  и  способы  ведения.  С  течением  времени  зависимость  военной  стратегии  от экономики  усиливается,  а  значит,  возрастает  её  зависимость  от  надежности  и  стабильности энергообеспечения регионов.

Роль  системы  АЭС  малой  и  средней  мощности  в  контексте  обеспечения  национальной  безопасности  и стабильности, уменьшения влияния внешних и внутренних угроз с каждым годом будет возрастать». На Совбезе этот вопрос обсудили, но «воз и ныне там». Всё слова, слова и ничего кроме слов - в результате  http://www.newstube.ru/media/putin получаем уши от ослов». Росатом продолжает тратить огромные деньги на ненужные проекты и стройки (ветряки, ВВЭР- 1200-1300, «Прорыв», «БРЕСТ-ОД300», БН-1200 [23]).

АСММ в военном аспекте

Агрессия  НАТО  в  Югославии  показала,  что  с  помощью  недорогих  боевых  блоков,  разбрасывающих проводящие  нити  и  графитовую  пыль,  за  двое  суток  удалось  вывести  из  строя  до  70% электроэнергетических систем Югославии [22]. Стратеги  ядерных  держав  рассматривают  в  качестве  одного  из  вариантов  начала  ядерной  войны «ослепляющий  удар»:  использование  электромагнитного  импульса    высотного  ядерного  взрыва  над территорией  противника  для  выведения  из  строя  систем  управления,  связи,    а  также  системы электроснабжения за счет наведения перенапряжения на воздушных и кабельных ЛЭП.

Выбор в пользу водяных реакторов

Наиболее подходящим техническим решением, конструкторы атомного реактора в прошлом веке посчитали использовать воду под высоким давлением в качестве теплоносителя и водяной пар в качестве рабочего тела. Пробовались и другие теплоносители, но они не прижились в энергетике, «геранты» не дали, поскольку весь верх руководства был из тепловой энергетики, в которой в качестве теплоносителя была вода. Вода и ВВЭР превратились в догму. Для АЭС был создан водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР) с толстостенным корпусом, заполненным теплоносителем (водой под давлением) и в котором была размещена корзина активной зоны с ядерным топливом. Это реактор корпусного типа. Ядерное топливо находилось в тепловыделяющих элементах (твэлах) в герметичных оболочках в виде стержней, в которых в результате  деления тяжелых элементов под действием нейтронов выделялось тепло. Вода в активной зоне выполняла сразу две задачи: - являлась замедлителем нейтронов деления и одновременно теплоносителем. Замедлять нейтроны, т.е. уменьшать их энергию до тепловой зоны спектра, были вынуждены для увеличения вероятности деления урана с целью поддержания непрерывной цепной реакции деления при меньшем обогащении ураном U-235. Твэлы были объединёны в шестигранные в сечении тепловыделяющие сборки (ТВС), которые размещались в корзине активной зоны.

Тепло из активной зоны, нагревая теплоноситель, переносилось им по первому контуру в парогенератор, являющийся вторым контуром, где создавалось рабочее тело – пар, требуемых для паровой турбины расхода и давления. Толстостенный корпус реактора выполнял сразу три задачи. Удерживал высокое давление воды внутри себя, выдерживал высокую температуру теплоносителя и противостоял высокой радиации из активной зоны. В процессе эксплуатации сталь корпуса становилась хрупкой, и корпус приходилось отжигать. У некоторых старых инженеров ещё осталось желание сделать ВВЭР на сверхкритические параметры. Это не что иное, как бред, подобие утопии Сен Семона о коммуне. Толстостенный горячий и облучаемый корпус водо-водяного реактора с толщиной стенок от 0,5 метра это маразм, а не инженерная конструкция. Возникают проблемы доставки, отжига и т.п. и т.д.

Была создана и другая конструкция большого ядерного реактора (из-за отсутствия в то время технологии изготовления больших и толстостенных корпусов), канального типа, РБМ-К (реактор большой мощности кипящий), в котором также был применён теплоноситель (вода) под давлением и он находился в каждом канале – трубе, пронизывающей активную зону. А активная зона размещалась в лёгком корпусе, и состояла из графитовых призм, через которые проходили каналы. Графит являлся замедлителем. Внутри каждого канала находилась ТВС. Твэлы в ней, также как, и в корпусном реакторе,  нагревали теплоноситель до требуемой температуры, и дополнительно до требуемого паросодержания в нём.  Далее теплоноситель со всех каналов собирался в барабане-сепараторе, где происходило отделение влажного пара от воды. Пар направлялся на турбину, а вода вместе с конденсатом от турбины направлялись обратно на вход каналов реактора. Это была одноконтурная схема движения теплоносителя. Считалось, что в пар радиоактивные элементы из активной зоны ядерного реактора не попадали, и не создавали значительной угрозы для окружающей среды.

В обоих проектах, РБМ-К и ВВЭР, вода как теплоноситель в диапазоне применяемых   давлений имела фазовый переход из жидкого состояния в газообразное состояние, т.е. в пар. При этом переходе резко снижался коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности твэла к теплоносителю. Если теплоноситель не мог снять тепловой поток с поверхности твэла в какой либо точке в объёме активной зоны ядерного реактора, то происходил в этом месте локальный перегрев и разрушение оболочки твэла. В котлах на органическом топливе это явление сглажено, поскольку температура пламени сравнительно не большая. Разогрев ядерного топлива не имеет ограничения температуры, если это тепло не отбирать в теплоноситель.  Это явление было названо кризисом теплоотдачи. Дальше радиоактивная авария. В этом процессе участвует много параметров, это и объёмное по активной зоне распределение энерговыделения, и распределение скорости теплоносителя, и распределение давления и пр.  Тепловой поток с поверхности твэла определяется энерговыделением в нём. В комплексе все параметры оперативно учесть не получится. Поэтому используется т.н. коэффициент запаса до кризиса. В среднем всё может быть нормально, а в каком-то месте возможно кипение теплоносителя и кризис теплоотдачи. С форсированием проекта ВВЭР свыше 1000 МВт запас до кризиса ещё уменьшился. Все эти параметры, как говорят, «пощупать нельзя в натуре», они все расчетные. И аварии происходят регулярно. Например, проект ВВЭР-ТОИ это явный тупик [24].

Увеличение частоты техногенных аварий — неизбежное следствие снижения знаний, начиная со школы, и кончая институтами. Топ менеджеры, и в большей части те, кто в последнее время получил образование за рубежом, на самом деле не имеют отраслевых знаний атомной промышленности. Руководить такой отраслью, это не одно и то же, что управлять складом, магазином, перевозками и т.п. Смысл самого слова – «УПРАВЛЯТЬ» не означает создавать новую технику. Топ менеджеры они не «созидатели», они «управлятели». Неуважения к науке, коррупция и падение профессионализма, я полагаю, главное, что предопределяет скорое разрушение и банкротство «Росатома». Чем больше подробностей узнаешь об очередной катастрофе с ядерной техникой, тем крепче убеждение — трагедия была запрограммирована ещё на стадии проектирования. Последние испытания ядерной техники Севере доказательство тому, что надо менять всё, и переходить на столпы  «средмаша».

Американская компания Westinghouse обанкротилась, и отказалась от технологий PWR (ВВЭР). С 14 января 2019 года в США действует Закон «Об инновациях и модернизации в области ядерной энергии» (NEIMA) [25, 26, 27, 28]: - «… мы заменим наши устаревшие ядерные реакторы новой технологией, … технологией, которая является более безопасной, производит меньше отработавшего топлива и дешевле в строительстве и эксплуатации, Закон поддерживает передовые ядерные реакторы и гарантирует, что Соединенные Штаты остаются на переднем крае. Это еще один важный шаг в нашей борьбе с изменением климата». Закон США  попросту запретит строить АЭС по старым технологиям, за несоблюдение Закона можно получить и 150 лет тюрьмы. Это действительно прорыв по-американски [29].

 

Преимущества и недостатки газотурбинных двигателей [30]

Преимущества

1. Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем.

2. Возможность получения большего количества пара при работе (в отличие от поршневого двигателя).

3. В сочетании с паровым котлом и паровой турбиной — более высокий КПД по сравнению с поршневым двигателем. Отсюда — использование их в электростанциях.

4. Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, в отличие от поршневого двигателя.

5. Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.

6. Существенно меньше выбросов вредных веществ, по сравнению с поршневыми двигателями.

7. Низкая стоимость и потребление смазочного масла.

8. Низкие требования к качеству топлива. ГТД потребляют любое горючее, которое можно распылить: газ, нефтепродукты, органические вещества и пылеобразный уголь.

9. Высокая манёвренность и диапазон регулирования.

Недостатки

1. Стоимость намного выше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы, применяемые в турбине, должны иметь высокую жаростойкость и жаропрочность, а также высокую удельную прочность.

2. Машинные операции также более сложные.

3. При любом режиме работы имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели (КПД на номинальной нагрузке — до 39 %, при этом официальные данные по поршневым двигателям — 41-42 %). Требуют дополнительной паровой турбины для повышения КПД.

4. Низкий механический и электрический КПД (потребление газа более чем в 1,5 раза больше на 1 кВт*ч электроэнергии, по сравнению с поршневым двигателем). 

Поскольку с 1939 года использование газовых турбин началось одновременно и в энергетике и в авиации - для авиационных и наземных газовых турбин используются различные названия. Авиационные газовые турбины называются турбореактивными или реактивными двигателями, а прочие газовые турбины называются газотурбинными двигателями. В английском языке имеется даже больше названий для этих, однотипных, в общем, двигателей (engine).

 

Применение турбины в замкнутом контуре характеризуется обычно следующим:

- Малым падением давления при прохождении газа через камеру сгорания, 3-4% потери давления – это обычная величина падения давления. При прохождении рабочего тела активной зоны атомного двигателя падение давления для стержневых твэлов, размещенных согласно нейтронно-физическому расчету, будет больше.

- Резким снижением КПД на малых нагрузках (в отличие от поршневого двигателя).

- Необходимостью использования газа высокого давления, что обуславливает необходимость применения дожимных компрессоров с дополнительным расходом энергии и падением общей эффективности системы.

- Более медленный пуск, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания.

- Существенное влияние пусков-остановок на ресурс.

 

Испытанные материалы ядерных ракетных двигателей США и СССР[31]

1. Советский ЯРД был гораздо скромнее своего американского «коллеги», создавая тягу всего в 3,6 тонны и весил при этом тоже гораздо меньше — около 2 тонн, но при этом имел более высокий удельный импульс — около 925 секунд.

Мощность советского РД-0410 тоже была небольшой — реактор развивал тепловую мощность «всего лишь» в 196 МВт. А вот его массово-габаритное совершенство было уникальным. В таком микроскопическом по меркам «Киви», а тем более — «Феба», объёме советские инженеры смогли уложить всё то, что американцы смогли сделать лишь на двигателе, в десятки раз более мощном и крупном. При этом, ресурс РД-0410, подтверждённый испытаниями на Семипалатинском ядерном полигоне, проведенными на полной мощности, составил более 4000 секунд (около 70 минут), что превосходило лучшие достижения американцев с графитовыми зонами своих ЯРД более, чем втрое. Кроме того, высокий удельный импульс советского ЯРД обуславливался тем, что, в отличии от американцев, которые на «Фебе-2» не рисковали постоянно держать температуру в 3000 °C, предпочитая более комфортные условия 2000-2500 °C, советский двигатель по-честному отработал на 3000 °C все 4000 секунд.  (А у американцев подъём температуры на их ЯРД постоянно сопровождался частичным разрушением активной зоны, что и обуславливало низкий удельный импульс их прототипов). Важно также отметить, что испытания советского ЯРД, в отличии от длительных доводок американских двигателей по программе NERVA, которые даже в конце испытаний продолжали страдать от выноса радиоактивных элементов в реактивную струю двигателя, показали полное отсутствие радиоактивных продуктов из активной зоны реактора в реактивной струе ЯРД. То есть — выхлоп советского ЯРД был ещё и предельно «чистым».

Источник: alex-anpilogov (http://alex-anpilogov.livejournal.com/2015/04/11/)

 и  (http://universe-tss.su/).  Дополнение от PL( http://universe-tss.su/user/pl/)

2. Твердофазный ЯРД работает как прямоточный двигатель. Жидкий водород поступает в сопловую часть, охлаждает корпус реактора, тепловыделяющие сборки (ТВС), замедлитель, а далее разворачивается и попадает внутрь ТВС, где нагревается до 3000 К и выбрасывается в сопло, ускоряясь до высоких скоростей. Принципы работы ЯРД не вызывали сомнений. Однако, конструктивное выполнение (и характеристики) его во многом зависели от «сердца» двигателя – ядерного реактора. Они определялись, прежде всего, его «начинкой» – активной зоной. Разработчики первых американских (и советских) ЯРД стояли за гомогенный реактор с графитовой активной зоной. Несколько особняком шли работы поисковой группы по новым видам высокотемпературного топлива, созданной в 1958 г. в лаборатории №21 (руководитель – Г.А. Меерсон) НИИ-93 (директор – А.А. Бочвар). Под влиянием развёрнутых в то время работ по реактору для самолета (соты из оксида бериллия) в группе предприняли попытки (опять же поисковые) получить материалы на основе карбида кремния и циркония, стойкие к окислению.

По воспоминаниям Р.Б.Котельникова, сотрудника НИИ-9, весной 1958 г. у руководителя лаборатории №21 состоялась встреча с представителем НИИ-1 В.Н. Богиным. Он рассказал, что в качестве основного материала для тепловыделяющих элементов (твэлов) реактора в их институте (кстати, в то время головном в ракетной отрасли; начальник института В.Я. Лихушин, научный руководитель М.В. Келдыш, начальник лаборатории В.М. Иевлев) применяют графит. В частности, уже научились наносить на образцы покрытия для защиты от водорода. Со стороны НИИ-9 было предложено рассмотреть возможность применения карбидов UC-ZrC как основы твэлов. Спустя короткое время появился еще один заказчик на твэлы – ОКБ М.М. Бондарюка, которое идейно конкурировало с НИИ-1. Если последний стоял за многоканальную цельноблочную конструкцию, то ОКБ М.М. Бондарюка взяло курс на разборный пластинчатый вариант, ориентируясь на легкость механообработки графита и не смущаясь сложностью деталей – пластин миллиметровой толщины с такими же ребрышками. Карбиды обрабатываются гораздо сложнее; в то время из них невозможно было изготовить такие детали, как многоканальные блоки и пластины. Стала ясна необходимость создания какой-то иной конструкции, соответствующей специфике карбидов.

В конце 1959 г. – начале 1960 г. было найдено решающее условие для твэлов ЯРД – стержневой тип сердечника, удовлетворяющий заказчиков – НИИ Лихушина и ОКБ Бондарюка. Но именно стержневые конструкции твэлов трещали и выбрасывали в выхлопную струю радиоактивные элементы.  Как основную, для них обосновали схему гетерогенного реактора на тепловых нейтронах.   

 

Атомный двигатель ВИНОГРАДОВА

На рис. 5 схематично показана примерная конструкция атомного двигателя Виноградова (2018). Это высокотехнологичное изделие, обладающее большим спросом, как для привода водяных реактивных движителей во флоте, так и для привода электрогенераторов АСММ подводного базирования, скрытного размещения.   

Для АД разработан конструкция безвальной турбины (БТ), имеющая неподвижную ось поз. 1 рис. 5 статора компрессора, состоящего из дисков направляющих лопаток.  Ротор и статор компрессора и турбины выполнены по принципу «колокол в колоколе». На роторе «колоколе» установлены диски с рабочими лопатками. Эта турбина обладает значительно большей площадью поверхности удержания у газового подшипника вращения (ГПВ) по сравнению с вальной конструкцией турбины. Площадь удержания практически охватывает всю поверхность ротора турбины («колокола»), на рис. 5 отмечены детали жёлтым цветом.  ГПВ позволяет исключить трение между ротором и статором турбины даже при значительных осевых и поперечных динамических нагрузках. Ротор «колокол» надежно удерживается на оси вращения. Сама конструкция «колокола» ротора, газовых протоков в нём, и место крепления лопаток ступеней турбины на периферии ротора создаёт высокое давление для удержания ротора на оси вращения. БТ состоит из осевого компрессора, поз. 2 и турбины, поз. 3. Безвальная конструкция турбины является высокотехнологическим изделием, она легче, проще и дешевле при серийном и массовом изготовлении, и обладает лучшими техническими характеристиками по сравнению с известными аналогами.

Рис. 5. Атомный двигатель Виноградова (2018 г.).

Для АД разработана высокотемпературная активная зона (АЗ) ядерного реактора (ЯР). АД состоит из: шестигранной в поперечном сечении корзины, поз. 4 рис. 5; шаровых твэлов с гидродинамически прозрачной оболочкой (твэлов-ШГПО) поз. 5; блоков отражателей и нейтронной защиты вокруг корзины АЗ поз. 6; гибких стержней управления, поз. 7, реактивностью с помощью поглотителей нейтронов; привода стержней управления, поз. 8; системы раскрытия корзины АЗ, поз. 9; контейнер («гробик»), поз. 10,  для вывода из корзины АЗ,  удержания  и охлаждения твэлов-ШГПО; центробежной соединительной муфты, поз. 11;  стартёра инерционного запуска, поз. 12. Все элементы АД размещены в герметичном корпусе, поз. 13, который имеет по продольной оси с одной стороны специальный сальник, поз. 14, для выхода вала для нагрузки, с противоположной стороны имеется шлюз, поз. 15, для установки контейнера, поз. 16, аппаратуры управления и запуска АД. АЗ является двух ходовой. Разворот теплоносителя на 1800 производится в зоне умеренного нагрева со стороны, где расположены стержни управления ЯР.  Вал для нагрузки не имеет теплового контакта с нагреваемыми до высокой температуры деталями ротора БТ. 

В качестве рабочего тела БТ (он же является теплоносителем  ЯР) использован углекислый газ, закаченный в корпус АД под давлением выше критического. Длина контура циркуляции теплоносителя составляет примерно 7-8 м, время оборота теплоносителя – 0,1 с,  что обеспечивает большую приемистость двигателя. Конструкция корзины сделана из жаропрочного материала и имеет возможность «дышать» при быстром разогреве и охлаждении. Равно как и твэл-ШГПО, корзина АЗ позволяет производить быстрый нагрев АЗ до 10 0С на один слой твэлов по ходу теплоносителя. Скорость разогрева (расчётная) до 1 0С/с.  Это позволяет делать быстрый запуск АД в работу.  Сверхкритическое давление теплоносителя держит холодный корпус АД, поэтому толщина корпуса БТ и корзины ЯР минимальны, поскольку должны держать только напор теплоносителя, создаваемый осевым компрессором c полной степенью повышения давления  до 38:1.  

Температура и мвиериалы [32]

В 1965-67 г. на реакторе  ИР-20-100 были испытаны ТВС ИР-100 состоящих из 100 стержней с ядерным топливом (UC-ZrC-NbC и UC-ZrC-C для входных секций и UC-ZrC-NbC для выходной), выдерживающим нагрев водородного теплоносителя до 3000 0С.

(Источник: Главная (https://cosmos.mirtesen.ru/). Блог (https://cosmos.mirtesen.ru/blog)).  

 Применение конструкционных материалов, которые уже были испытаны в аналогичных разработках, проводившиеся в США с 1955 г. по программам ROVER и  NERVA, а в СССР по проекту твердотельного ЯРД, включавший в себя только одну реализованную «в уране и в бериллии» модель  экспериментального ЯРД РД-0410, а также, применение современных и новых молибден вольфрамовых композиций и керамик, позволило в АД увеличить температуру нагрева теплоносителя до 1400-1500 0С.  При этом температура в сердцевине ядерного топлива (по расчету) не превысит 1900 0С в непрерывном режиме работы. Если компрессор позволит создать перед АЗ избыточное давление теплоносителя около 38 кг/см2, при охлажденном рабочем теле после сброса неиспользованного в термодинамическом цикле тепла в окружающую среду, то КПД может достичь, примерно, 55-58%. Для сброса неиспользованного тепла в окружающую среду через стенку корпуса АД используются динамические теплообменники, поз. 17 рис. 5. Они обладают повышенным тепловым сопротивлением тепловому потоку и обеспечивают плавный сброс тепла, так что стенка корпуса не нагревается выше 80 0С.  Максимальная тепловая мощность АД определяется значением КПД и площадью теплоотдающей цилиндрической поверхности корпуса, поз. 18 рис. 5, контактирующей с водной окружающей средой.  Нагрев воды в водоёме от работы АД не должен превышать 28 0С при максимальной температуре окружающего воздуха.

Длительность непрерывной работы АД определяется износом турбинной части и может достигать до 25000 часов. АД должен устанавливаться в проточной или стоячей воде, реки, водоёма (с пресной водой). Для солёной воды материал корпуса АД другой. АД имеет примерные габариты: диаметр до 2000 мм, длина до 7000 мм. Масса до 18 т. Масса ядерного топлива до 6 т. Более подробные данные видимо, не нужны для публикации.  

В  АД  реализован  принцип  «Ядерной  батарейки»,  т.е.  все его  компоненты имеют  одинаковые  сроки  ресурса  надёжной  работы.  Замена неисправной  или  отработавшей  свой  срок  ЯБ  не  требует  большого  времени  и квалификации  монтажников.  Все  проблемы  с  заменой  и  оборотом  (сдача отработанной  и  получение  новой)  ЯБ  лежат  на  заводе-изготовителе.  Процесс замены  ЯБ  происходит  простым  извлечением  её  из  гнезда. Никаких соединений выполнять не требуется. Хранение ЯБ допускает до 50 лет на  складе  в  состоянии поставки  с  завода-изготовителя. При  эксплуатации ЯБ отсутствуют  простои  установки,  проблемы  перегрузки  ядерного  топлива,  его хранения  и  транспортировки.  А  также  отсутствует  проблема  иметь  владельцу ЯБ  квалифицированные  кадры  для  управления  установкой,  поскольку обслуживающего  персонала  у  ЯБ  вообще  нет,  кроме  одного  человека ответственного за приёмку в эксплуатацию.

Электрогенерирующие  установки с использованием АД,  спроектированные  по принципу  Ядерной  батарейки,  это  инновационная,  новая  платформа  для развития  малой  энергетики  и  транспортных  силовых  установок. Эта платформа должна в себя включать сеть заводов для изготовления реакторной части и турбинной части АД, изготовления ядерного топлива и твэлов, сборку и отладку АД, хранение и оборот отработанных АД, монтаж – демонтаж и наладку АД у потребителя. Изготовление может быть крупносерийным или массовым, как ДВС.

Для оценки экономических характеристик АД при использовании в качестве привода электрогенератора имеется возможность сравнения с газо-жидкостным двигателем модели UGT 110000 (ГТЭ-110), см. рис. 6, Южного турбинного завода  «Зоря», СССР (1969 г.).  Мощности на валу приблизительно равны. Характеристики (UGT) ГТЭ приведены в таблице.

За весь ресурс работы АД100 может вырабатывать мощность на валу 100 МВт, т.е. будет выработано 100*25000= 2,5*106 МВт*час. Для выработки такого же количества энергии ГТЭ-110 потребуется часов  (2,5*106) :110 = 22730 час, и расход газа 31100 м3/час * 22730 час = 706903000 м3. Если принять по 240 Евро за 1000 м3, то получим 240*706903 = 169 656 720 Евро стоимость газа.

 

Рис. 6. Двигатель модели UGT 110000 (ГТЭ-110) для привода электрогенератора, Южный турбинный завод  «Зоря», СССР (1969 г.).

 

В заключение

Приятно осознать, что мои идеи, изложенные в статьях за 2018-19 годы на ПроАтом прочитаны, и конструкторский коллектив одного из старейших КБ отрасли приступил к разработке тубо-ядерного модуля, по сути моего атомного двигателя. Не радует меня только то, что они не пообщались со мной напрямую, хотя от них в комментариях от «гостя» было уже написано, что эта идея новая в отрасли, что если кто-то и возьмется делать эти вещи, то уж точно без меня. По факту их работы, сообщаю:

1. На самом деле в конструкциях не всё так, как показано на рисунках в открытой публикации. Многие моменты Вы не додумали, сожалею, зашли в тупик.

2. В расчетах нельзя предполагать стационарность. Все процессы не стационарны. В кодах  можете получить совершенно противоположное решение. Уже было так, эксперимент всё расставит по местам.

3. Ваша служба секретности всё равно, что дуршлаг применить для хранения воды. 

Успехов Вам и желаю достичь быстрее результата. Но китайцы, похоже, Вас опережают на 2-3 года, и первыми сделают реактивный движитель на колонке для подлодки и для ледокола.

Объявление

Продаются чертежи из техпроекта на ватмане отдельных технических решений для мощности 35 МВт (тепл.) и температуры на выходе из активной зоны  до 950 0С (чертежи корзины активной зоны и шарового твэла с гидродинамически прозрачной оболочкой), и результаты расчетов к ним для турбо-ядерного модуля за 2017 год. Обращаться на адрес на Яндексе: chinocean@yandex.com

 

Спасибо всем, кто прочитал.

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. [24/10/2018]  PRoAtom - Российский турбо-ядерный модуль. Новая платформа для безопасных ядерных установок малых мощностей (АСММ). Авт. Виноградов А. А. и др.

http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8266

2. [19/02/2019] PRoAtom -  В России не будет безопасного и приемист ого малого ядерного реактора. (ни для атомных станций малой мощности (АСММ), ни для движителей субмарин и судов)   http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8441

3. [07/08/2018] PRoAtom - Российский турбо-ядерный реактивный движитель для подводного судна. Авт. Виноградов А. А. и др. http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8160 «Атомная  стратегия»,  август  2018, №141,  стр.8.  Авт.  Виноградов  А.  А.  и  др. http://www.proatom.ry/

4. «Двигатель внутреннего сгорания» • Большая российская энциклопедия - электронная версия (https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/4341616)

5. «Двигатель внутреннего сгорания - история создания» - Техника _ std © 2016 istarik.ru

6. «История создания двигателей внутреннего сгорания» - Википедия; (https://ru.wikipedia.org/w/index.php)

7. «История роторного мотора Мазда».  Автомудрость Мазда на 110km.ru  Двигатель Ванкеля 1924. http://ctirling.ru/

8. ГОСТ Р 51852-2001 Установки газотурбинные. Термины и определения,  2003. (http://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=130766)

9. «Газовая турбина: компонент газотурбинного двигателя, преобразующий потенциальную энергию нагретого рабочего тела под давлением в механическую работу», от 25.05. 2012 г.

 (https://www.webcitation.org/68guvGxFy?url=http://protect.gost.ru/document.aspx?control=7)

10. «Газовая турбина»

 https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Газовая_турбина&oldid=98912663

11.  Костенков В.И., Яковлев Е.А., Кузьминский П.Д.  — ученый, инженер, новатор // «Известия Акад. наук СССР. Отделение технич. наук». — 1952. — № 2.

12. Меркулов И. А. Газовая турбина / под ред. проф. А.В.Квасникова. — Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. — С. 25 – 26.

13. Немного истории: Первая парогазовая турбина.

(http://energomarket.nemosoft.ru/2012/07/blog-post_04.html) Дата обращения 8 февраля 2019.

14. Создание и развитие парогазовых и газопаровых установок

(https://poisk-ru.ru/s14356t6.html) . poisk-ru.ru. Дата обращения 8 февраля 2019.

15. «Двигатель внешнего сгорания», Г.В.Смирнов. Новое в жизни, науке, технике: Серия: Промышленность, 1967, М. — Знание.

(https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Двигатель_внешнего_сгорания&oldid=98641324)

16. Stirling — история сотворения мотора Стирлинга, 22.07.2015.  

Британский патент № 4081. http://ctirling.ru/

17. «Атомный газотурбинный двигатель», патент RU 2336429, авт Болотин Н.Б.

18. «Верхом на реакторе»:  Атомный самолет. Технологии,  авт. А. Грек, 2009, Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2003).

19. Перспективы развития высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов.Технологии, 22.03.2017 4673. (http://www.atomic-energy.ru/technology/73919)

20.   План на 100 лет. «Стратегия 2018», В. Асмолов, Е. Адамов. Газета «Страна РОСАТОМ» № 4 (372) февраль 2019. http://www.strana-rosatom.ru/

21. [25/12/2018]  PRoAtom  -  Стратегия-2018  -  смесь  шарлатанства  и конъюнктурного  сговора.  Ч.1,  Ч.2  и  Ч.3.  http://www.proatom.ru/modules.php

22. [12/05/2009] PRoAtom - Система АЭС малой мощности как фактор национальной безопасности России. Т.Д.Щепетина, к.т.н., нач. лаб. ИЯР РНЦ «Курчатовский институт».

23. [22/03/2018] PRoAtom  - «Отмирающая,  дорогая и опасная технология прошлого века» Андрей  Ожаровский:  почему  реакторы  типа  БН-800 Белоярской АЭС не нужны никому, кроме России. http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=4045

24. [28/09/2012] PRoAtom  - ВВЭР-ТОИ – Тупик, Обманка, Имитация.  Б.И.Нигматулин, первый замдиректора ИПЕМ. 

25. Сенат принял двухпартийное законодательство по ядерной энергии - пресс-релизы-комитет Сената США. https://www.epw.senate.gov/public/index.cfm/2018/12/senate-passes-bipartisan-nuclear-energy-legislation

26. Комитет Сената США. ЗАКОН ОБ ИННОВАЦИЯХ И МОДЕРНИЗАЦИИ В ОБЛАСТИ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ (НЕЙМА).

27.  NUCLEAR    ENERGY    INNOVATION AND MODERNIZATION ACT (NEIMA), US,  Jan.

14, 2019. Президент Трамп подписал закон о двухпартийном ядерном энергетическом законодательстве.

28.    World  Nuclear  News  /WNN/.  Закон  США  о  ядерных  инновациях  становится законом.  17  января  2019.  http://www.world-nuclear.org/information-library/country-profiles/countries-t-z/usa-nuclear-power.aspx

29. Газета «Страна РОСАТОМ» № 4 (372) февраль 2019, «Прорыв» по-американски. Автор Кобяков Константин.

30. Газовая турбина // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

 https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Газовая_турбина&oldid=98912663

31. Испытания РД-0410 и по программе NERVA: «Киви» и «Фобус». (https://cosmos.mirtesen.ru/)  Блог (https://cosmos.mirtesen.ru/blog); Источ. Алексей Анпилов (alex-anpilogov, http://alex-anpilogov.livejournal.com/2015/04/11/)  и  (http://universe-tss.su/).  Дополнение от PL ( http://universe-tss.su/user/pl/).

32. Температуры и материалы ядерного топлива. (https://cosmos.mirtesen.ru/). Блог (https://cosmos.mirtesen.ru/blog)).

33. Газотурбинные двигатели для энергетики. Заря- Машпроект, 1969. авт. Сташок.







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

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=8761