Газоохлаждаемый реактор с высоким коэффициентом полезного действия Котов В. М., Зеленский Д.И. (1) ИАЭ НЯЦ РК, г. Курчатов, ВКО Республика Казахстан. (2) ЗАО МЭТР, Москва, Россия.

2 Возможные направления повышения КПД АЭС с газотурбинными установками Цикл Ренкина: Особенность: работа на сверхкритическом давлении легководного теплоносителя. Проблемы – усложнение конструкции реактора и контура теплоносителя, необходимость решения многих технических задач. Цикл Брайтона: Особенность: использование ГТУ с малым расширением рабочего тела. Проблемы – необходимость рекуперации тепловой энергии изобарических процессов, высокая температура топлива, технические проблемы ГТУ.

3 Особенности применения для АЭС поршневых двигателей Двигатели Стирлинга: Особенности: Работа в области малых расширений, необходимость рекуперации тепловой энергии. Недостатки: высокая температура топлива и теплоносителя ( К). Использование графита в проектах ВТГР. Цикл Брайтона с высоким расширением рабочего тела (АРАР): Возможность использования определяется малыми потерями энергии в отдельных процессах. Достоинства: КПД на уровне % при использовании топлива существующих реакторов. Возможны модификации цикла для повышения его эффективности.

4 Циклы возможных преобразователей с внешним подводом тепловой энергии Цикл газотурбинной установки Цикл АРАР Цикл Стирлинга Дискретное приближение цикла АРАР к Карно

5 КПД цикла Брайтона. T max = 1223 К, T min = 300 К. Рабочее тело – гелий.

6 КПД цикла Брайтона. T max = 773 К, T min = 300 К. Рабочее тело – гелий.

7 КПД цикла TVTV (идеал для Стирлинга). T max =773 К, T min =300 К. Рабочее тело – гелий.

8 Схема поршневого двигателя цикла АРАР

9 Схема поршневого двигателя цикла Т 2 АРТ 2 АР

10 Характеристики цикла Т 2 АРТ 2 АР

11 Исходные данные для расчета характеристик реактора тепловой мощностью 40 МВт.

12 Варианты геометрии активной зоны реактора

13 Варианты размещения твэлов с внешними диаметрами 6,9 мм и 9,1 мм в ТВС

14 Основные элементы активной зоны и замедлителя реактора 1 – корпус реактора, 2 – замедлитель, 3 – корпус канала ТВС, 4 – ТВС, 5 – теплоизоляция ТВС, 6 – интегральный коллектор теплоносителя, 7 – входной патрубок замедлителя, 8 – выходной патрубок замедлителя, 9 – отверстия связи «канал – коллектор», 10 – выходной коллектор теплоносителя, 11 – коллектор аварийного сброса замедлителя, 12 – входной коллектор теплоносителя

15 Результаты теплового расчета элементов ТВС Теплоноситель91 канал121 канал Перепад давления по высоте ТВС, МПа0,090,02 Скорость теплоносителя на выходе ТВС, м/с12075 Отношение мощности прокачки к выработанной электрической мощности, % 4,90,5 Наиболее горячие твэл и ТВС в реакторе Максимальная температура в центре сердечника твэла, К 1724 Максимальная температура на поверхности сердечника, К 1537 Максимальная температура гелия в зазоре, К1055 Максимальная температура оболочки твэла, К900 Максимальная температура стенки канала ТВС, К782

16 Схема свободнопоршневого генератора 1 – линейный электрогенератор, 2, 3 – насосные камеры двигателя АРАР, 4, 5 – рабочие камеры двигателя АРАР, 6 – магистраль синхронизации движения поршневых групп. На АЭС электрической мощностью 20 МВт устанавливается три генератора для выработки трехфазного напряжения. Мощность одного линейного генератора – 3.3 МВт.

17 Сравнительные характеристики реакторов с газовым теплоносителем

Модель двигателя АРАР 18

19 Заключение Применение в качестве нагрузки ядерного реактора поршневой машины, работающей на основе адиабатических и изобарических процессов (АРАР или Т 2 АРТ2 А Р) обеспечивает возможность достижения коэффициента полезного действия на уровне до 50 % при использовании хорошо отработанного в энергетических реакторах на твэлах с оксидным топливом температурного режима. Проработан вариант газоохлаждаемого реактора с водным замедлителем тепловой мощностью 40 МВт. В состав замедлителя включены обычная и тяжелая вода, что обеспечивает простоту конструкции реактора, безопасность его работы и уменьшает затраты на утилизацию его элементов при выводе из эксплуатации в сравнении с графитовым замедлителем. Простота технологической схемы преобразования тепловой энергии в электрическую является предпосылкой высокой экономической и экологической эффективности АЭС. «Способ работы тепловой машины и поршневой двигатель для его осуществления» запатентованы в РФ (Патент на изобретение ).