АЭУ мощностью от 5 МВт. Чиновники, менеджеры и научная элита Росатома саботируют
Дата: 20/10/2021
Тема: Малая энергетика


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

Вот уже всё в прошлом, и Указ Президента РФ Владимира Путина от 16.04.2020 «О развитии техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации», и заявление на Международном экономическом форуме-2021 (МЭФ-2021)  заместителя председателя Правительства РФ Александра Новака «Россия намерена стать лидером в производстве не только крупных, но и малых атомных энергоблоков от 5 МВт эл.». https://www.politnavigator.net/rossiya-stanet-liderom-stroitelstva-malykh-aehs.html



 «А воз и ныне там». Под видом благих намерений научная элита ГК «Росатом» ведет отрасль в ад. Остались навыки строительства гигантских АЭС, но нет знаний, чтобы создавать безопасные и экономически выгодные для России атомные электрогенерирующие установки малой мощности. Кроме реактора «РИТМ» ничего путного предложить не могут! Или имеет место саботаж?

Причиной саботажа является либеральная модель государства, которая была навязана России реформаторами в 90-х годах. Либеральная модель изначально была предназначена для сдерживания развития народа российского и военно-технологического укрепления России после развала СССР. Либералы  монетаризма в управлении ГК «Росатом» уничтожат отрасль!

Мои конструкции ядерных электрогенераторов и идеи, опубликованные в статьях на PRoAtom начиная с 24.04.2018 [1,2], создавать «Ядерную батарейку» и «Атомный двигатель Виноградова» (АДВ) со значительно более высоким к.п.д., а не строить за наши кредиты (деньги) для будущего владельца гигантскую АЭС с маленьким к.п.д., стали даже поняты в MIT USA и в NEA USA [3]. Но эта парадигма энергообеспечения с постоянным упорством не воспринимается в ГК «Росатом». Странно, но факт, что в борьбе с потеплением климата, ГК «Росатом» продолжает для АСММ применять водо-водяные реакторы (ВВР) с турбиной на влажном паре с к.п.д. 33 - 35%. Т.е. продолжают греть планету и выбрасывать водяной пар с градирен, создающий боле существенное воздействие на повышение температуры планеты, нежели углекислый газ СО2. ГК «Росатом» не волнует проблема потепления климата!

Далее представлено принципиально новое техническое решение «Атомной электрогенерирующей установки Виноградова» (АЭУВ) с условным названием «Старт-1», предлагаемой в качестве АСММ для обеспечения электроэнергией потребителей в мире.

АЭУВ «Старт-1» имеет следующие убедительные преимущества по сравнению с ВВР:

  1. Отсутствует кризис теплоотдачи и ядерная опасность расплавления активной зоны.

  2. АЭУВ не боится коротких замыканий в нагрузке.

  3. К.п.д. более 70%, что почти в 2 раза снижает выбросы тепла в окружающую среду.

  4. Реализован принцип - «подключил нагрузку и потребляй электроэнергию».

  5. Используется дешевое и доступное в большом количестве ядерное топливо - уран 238.

  6. Сокращается потребление природного урана до уровня добычи сегодня, до 3500 т./год.  

  7. Сокращается накопление отходов ядерного топлива (ОЯТ).

  8. Оборот "железа": завод - потребитель - завод, переработка ядерного топлива на заводе.

  9. У потребителя электроэнергии вообще нет никаких хлопот по обслуживанию и ремонту.

  10.  АЭУВ значительно дешевле ВВР типа «РИТМ», «Шельф», «Академик Ломоносов» и др., что делает реальным получить предоплату или оплату сразу по факту поставки установки, а не давать кредиты, а потом ждать десятилетия их возврата, или не возврата!

  11. Продаём электроэнергию, а не "железо".

  12. Малый срок окупаемости.

  13. Маленькая масса одного блока АЭУВ (транспортного места-блока), позволяющая быстро доставить его в любую точку на планете любым транспортом, есть возможность десантирования прямо на площадку размещения.

  14. Производство массовое, конвейерное.

  15. Обеспечивается принцип нераспространение ядерных компонентов в мире.

  16. Нет строительных работ, нет проблемы утилизации, и на месте, где была АЭУВ, будет "Зелёная лужайка", а не "Зелёный курган с могильником внутри как для ВВЭР-1200/1300.

  17. Абсолютная самозащита от террористических актов и военных нападений

    Ну и многого ещё чего есть позитивного. Могут быть предусмотрены глобальные космические системы защиты от терактов, военных нападений и т.п. с автоматической ликвидацией нападающих, или система охраны специальных объектов «Булат» (1978), которая самостоятельно в автоматическом режиме нейтрализует нападающих.

    Это действительно принципиально новый способ надёжного и безопасного обеспечения планеты электроэнергией, и кто в этом преуспеет, тот будет лидером на всей планете Земля.

     

Атомный двигатель Виноградова это физико-энергетическая установка преобразующая энергию, получаемую в результате деления тяжёлых ядер нейтронами, в энергию вращения вала.

Для АСММ предлагается применить одну из модификаций «Атомного двигателя Виноградова» (АДВ) с реактором на быстрых нейтронах с ядерным топливом уран 238. АДВ выполнен по одноконтурной схеме высокотемпературного газового реактора, который соединён  воедино с газовой турбинной установкой. Или кратко: быстрый высокотемпературный газовый с газотурбинной установкой - БВГ-ГТУ, см. рис. 1. Некоторые узлы АДВ не указаны. АДВ имеет корпус поз.3, в котором находится газообразное рабочее тело (далее по тексту - газ) под давлением сверхкритики. Внутри корпуса  размещены все узлы АДВ. Герметичный корпус поз. 3 держит требуемое давление рабочего тела и обеспечивает, прямо через стенку корпуса, сброс неиспользованного в термодинамическом цикле тепла в окружающую среду - в воду. Для увеличения эффективности сброса тепла использованы на корпусе ребра охлаждения поз. 17. 

Рис. 1. БВГ-ГТУ.  1 - вал, 2 - сальник и подшипник, 3 - корпус, 4 - трехступенчатый центробежный компрессор, 5 - выходной патрубок компрессора, 6 - турбина, 7 - выхлоп турбины, 8 - периферийная  область активной зоны, 9 - свинцовый отражатель, 10 - центральная область активной зоны, 11 - возвратный охлаждённый поток с теплообменника, 12 - стержни СУЗ, 13 - створки сброса шаровых твэлов из активной зоны (пунктиром показано открытое состояние), 14 - створки сброса шаровых твэлов на входе в контейнер охлаждения (пунктиром показано открытое состояние), 15 - контейнер охлаждения твэлов от остаточного тепловыделения («гробик»), 16 - аппаратура управления, 17 - ребра охлаждения корпуса, 18 - шаровой твэл засыпки активной зоны с распределением в сечении температуры ядерного топлива.

Кратко принцип работы, рис.1. Центробежный компрессор поз. 4 забирает газ изнутри корпуса поз. 3, и по двум выходным патрубкам поз. 5 под требуемым давлением направляет его в периферийную область поз. 8 активной зоны (АЗ), в которой происходит его первичный нагрев. Далее поток газа после разворота направляется в центральную область поз. 10 АЗ, где происходит его подогрев до нужной температуры на вход в высокооборотную турбину поз. 6. В турбине энергия газа совершает работу, вращая вал поз. 1 с требуемыми моментом вращения и оборотами для электрогенератора. С выхлопа турбины газ с меньшей температурой направляется с помощью патрубков поз. 7 в теплообменник сброса, не использованного в термодинамическом цикле тепла. Возвратный охлаждённый поток газа поз. 11 поступает во внутреннее   пространство корпуса поз. 3. Таким образом, происходит течение газа (рабочего тела) в замкнутом контуре. В качестве рабочего тела может быть применен чисты газ СО2, или смесь газов, или, что наиболее выгодно с точки зрения уменьшения размеров проточной части АЗ и увеличения количества отбираемого с поверхности твэлов тепла, ионномодифицированный теплоноситель («слабая плазма»).

Аварийная защита от расплавления. В случае перегрева АЗ происходит автоматическое раскрытие створок поз. 13 и поз. 14 и шаровые твэлы поз. 18 высыпаются под действием гравитации в контейнер охлаждения поз. 15 - «гробик», в котором твэлы укладываются в один слой и пропитываются жидким свинцом, который выливается из свинцового отражателя поз. 9. Остаточное тепловыделение сбрасывается в окружающую среду - воду прямо через стенку корпуса поз. 3. Таким образом, шаровые твэлы из компактного расположения в АЗ, обеспечивающего критическую массу ядерного топлива, переходят в значительно подкритическое состояние, в котором они охлаждаются в пассивном режиме до температуры застывания свинца и ниже.

Считаю, что для инженера этого описания реализации идеи АДВ достаточно для понимания. Для реализации на суше АСММ варианта «Старт-1» на базе АДВ предложена следующая конструкция, см. рис. 2.  

 Рис. 2. АСММ «Старт-1».  1 - корпус - стакан, 2 - охлаждающая жидкость, 3 - АДВ типа БВГ-ГТУ, 4 - пороховой стартёр и размораживатель сальника, 5 - муфта включения/отключения и плавной раскрутки ротора генератора, 6 - электрогенератор с частотой 400 Гц, 7 - радиационный экран и формирователь контура циркуляции охлаждающей жидкости, 8 - выпрямитель переменного тока и аппаратура запуска, 9 - тепловая трубка отвода тепла, 10 - разветвлённая поверхность сброса тепла в воздушную среду, 11 - крышка корпуса-стакана, 12 - кабель постоянного тока нагрузки (на фото арктический вариант с рабочей температурой до минус 70 оС), 13 - грунт. Стрелки - направление течения охлаждающей жидкости.

Идея проста: - «Атомный двигатель Виноградова», соединённый с электрогенератором, установлен вертикально в «стакане» с водой, которая охлаждается тепловыми трубками, сбрасывая тепло в воздух. Таким образом, нет выбросов паров воды в атмосферу.

Пуск АДВ из холодного состояния (после монтажа установки) производится автоматически при подключении нагрузки к кабельной линии поз. 12. Сразу после этого запускается  пороховой стартёр и размораживатель сальника поз. 4. Происходит размораживание сальника АДВ, вал поз. 1 рис. 1  сможет уже вращаться, и пороховой стартёр раскручивает вал до оборотов режима вентиляции активной зоны атомного реактора. После этого запускается атомный реактор, увеличивается температура рабочего тела перед турбиной, что увеличивает обороты вала. При достижении номинальных оборотов вала происходит автоматическое включение муфты поз. 5, которая производит плавную раскрутку ротора электрогенератора до номинальных значений. Электрогенератор самовозбуждающийся.

С выхода электрогенератора переменное напряжение выпрямителем поз. 8 преобразуется в напряжение постоянного тока, который потребляется нагрузкой. При нормальной нагрузке потребителя в случае появления  короткого замыкания на выходе кабеля поз. 12 автоматика снижает мощность реактора АДВ до уровня режима вентиляции активной зоны. И при этом происходит автоматическое снижение оборотов  электрогенератора до значения отключения муфты поз. 5. Далее муфта поз. 5 отключает вал генератора от вала АДВ, и последний переходит в режим устойчивой вентиляции активной зоны. Турбина и центробежный компрессор, соответственно поз. 6 и поз. 4 рис. 1, начинают вращаться на оборотах вентиляции активной зоны реактора.

В состоянии короткого замыкания АДВ может вращать вал сколько угодно долго. В случае устранения короткого замыкания происходит повторно процесс запуска электрогенератора путём увеличения мощности АДВ, увеличения оборотов вала, включением муфты поз. 5 и плавной раскруткой ротора электрогенератора до номинальных оборотов. АСММ «Старт-1» выходит на номинальный режим работы, при этом электрогенератор вырабатывает столько электроэнергии, сколько потребляется, т.е. он сам подстраивается под нужды потребителя. Если мощность, потребляемая превысит возможности установки, то происходит снижение оборотов вала АДВ и напряжение на выходе электрогенератора снижается. При значительной перегрузке по току автоматика принимает эту ситуацию за короткое замыкание, и АДВ переходит в режим вентиляции активной зоны до момента снятия такой перегрузки. АДВ обладает высокой приемистостью, что делает переходные процессы короткими - до десятка секунд.

По схеме АСММ «Старт-1» можно серийно выпускать энергоблоки мощностью от 5 до примерно 50 МВт эл. с практически одинаковым набором узлов и деталей. С технологической точки зрения это очень удобно и выгодно. Увеличение единичной мощности энергоблока имеет проблему, о чем будет написано ниже.

Охлаждение АДВ и электрогенератора. Охлаждение АДВ и электрогенератора производится жидкостью, в которую они помещены. Охлаждение конвективное за счет естественной циркуляции жидкости. Никаких насосов не требуется. Направление движения жидкости показано на рис. 2 стрелками. При опускном движении жидкости в кольцевом зазоре между стенкой «стакана» поз. 1 и стенкой радиационного экрана поз. 7 происходит охлаждение потока за счет контакта с холодной нижней частью тепловой трубы поз. 9. Радиационный экран поз. 7 не только является дополнительной радиационной защиты от излучения вокруг АДВ, но и формирует контур циркуляции охлаждающей жидкости на восходящий поток и опускной поток. Тепловая труба поз. 9 отбирает тепло в нижней своей части и переносит его в верхнюю часть, где тепло за счет теплопроводности перетекает на разветвлённую поверхность поз. 10 сброса тепла в окружающую среду - воздух. В тепловой трубе использован хладагент и капиллярная система доставки конденсата хладагента в нижнюю часть тепловой трубы. Поверхности поз. 10  сброса тепла в окружающую среду покрыты слоем из фракталов (Фрактальная геометрия теплопередающей поверхности Макра Сучева, 1999 год), что в разы позволяет увеличить сброс тепла по сравнению с чистой поверхностью той же площади и том же тепловом напоре.

Особенности электропитания нагрузки постоянным током. Электрогенерирующая установка «Старт-1» по кабелю питает потребителя постоянным напряжением от выпрямителя поз. 8, который напрямую подключён к генератору поз. 6, вырабатывающего переменное напряжение частотой 400 Гц. Частота 400 Гц выбрана из соображений значительного уменьшения массы генератора, почти в 15 раз [4], по сравнению с генератором частотой 50 Гц. Это же относится и к турбине, и к центробежному компрессору, соответственно  поз. 6  и поз. 4 рис. 1. При больших оборотах получаются меньшие массы при одинаковых мощностях.

Если потребителем электроэнергии является рудник или шахта, то имеет смысл и у потребителя ввести стандарт 400 Гц, что многократно снизит размеры и массу горнорудного инструмента.

Если часть электроэнергии расходуется на бытовые нужды, то тогда имеет смысл преобразовать часть энергии в стандарт 50 Гц. Питание потребителя до места преобразования стандарта напряжения, а это может быть расстояние в десятки километров, выгодно производить постоянным напряжением, поскольку значительно меньше потерь. В системе кабельного электроснабжения от установки «Старт-1» применена трех проводная система: два провода постоянное напряжение, один провод общий со сбалансированным суммарным током близким к нулевому значению. Такой способ в 2 раза снижает тепловыделение в кабеле при передаче постоянного низковольтного напряжения на относительно большие расстояния. Низкое значение постоянного напряжения после выпрямителя выбрано исходя из наличия работоспособных полупроводниковых преобразователей «постоянное в переменное 50 Гц». Реально оно может составлять, примерно, от 6,3 ... 10,2 кВ.

Если часть электроэнергии расходуется на отопление, например, в заполярном районе, то значительно выгодней отопительную систему делать на сухих, без пара и воды, электрических постоянного тока батареях нагрева.

Проблемные места проекта «Старт-1». Как и в любом проекте в проектах «Атомной электрогенерирующей установке Виноградова»  «Старт-1»,  и в «Быстром высокотемпературном газовом атомном реакторе с газотурбинной установкой», и в «Атомном двигателе Виноградова» имеются проблемные места, которые требуют экспериментального подтверждения. Но таких мест постепенно становится всё меньше и меньше. Отмечу два таких места, влияющих на привлекательность проекта:

1. Проблема состоит не в том, что мы не можем создать турбину, компрессор и активную зону большей мощности в приемлемых габаритах и массы, а в том, что мы не можем сбросить не использованное в термодинамическом цикле тепло в окружающую среду в приемлемых габаритах установки. Всё упирается в теплопроводность и способность теплосъёма с горячей поверхности во внешнюю среду. В воду мы можем больше тепла сбросить, в воздух значительно меньше. Делать специальные сухие градирни конечно можно, но они вынуждены будут иметь большую площадь теплообмена, а это уже потеря привлекательности проекта и его удорожание. Градирня это значит, будут и трубопроводы, и задвижки, и насосы перекачки теплоносителя. А для крайнего севера и теплоноситель надо делать незамерзающим. Из расчетов получилось, что максимальная мощность одного энергоблока «Старт-1», в котором использована компактная и легкая система теплоотвода с помощью тепловых труб, в приемлемых габаритах и массы не может быть больше, примерно 50 МВт. эл. Как раз и максимальный спрос в развивающихся странах есть на 30...40- мегаватные блоки. А в общем нужны энергоблоки от 5 МВт эл. А для «особо умных» повторюсь - делать надо электрогенерирующие атомные блоки только такие, которые пользуются спросом, а не болеть гигантоманией увеличения единичной мощности энергоблока.

2. Проблема продолжительности ресурса работы энергоблока. Активная зона и СУЗ атомного реактора может работать дольше турбины и центробежного компрессора. Всё упирается в износ сальникового узла выходного вала АДВ. Сальниковый узел это не простое устройство. Он должен длительное время удерживать давление рабочего тела внутри корпуса АДВ при хранении на складе, а это 50 лет как минимум. И во время работы при вращении выходного вала и нагреве корпуса сохранять давление сверхкритики для рабочего тела. На сегодняшний день турбинисты могут обеспечить непрерывную работу турбины и компрессора на едином валу, примерно, 25000 часов. Поживем, увидим, что будет дальше. Почти 3 года ресурса работы АДВ это уже выгодно и окупается, поскольку энергоблок «Старт-1» становится товаром [3], а не мегапроектом как АЭС с ВВЭРами и БНами.

Если всё пойдет по плану, то в 2028 году можно будет ожидать серийное производство «Ядерных батареек», и далее выпуск аналога электрогенерирующей установки «Старт-1».

Полагаю, других сложных или неоднозначных моментов в описании реализации идеи АСММ с АДВ нет, так что инженеру должно быть всё понятно/

Жду от читателей конструктивной дискуссии и дельных советов, мнений с обоснованием, и конечно вопросов.


Ссылки:

1. PRoAtom - «Ядерная батарейка» для Норильска

2. PRoAtom - Атомный двигатель Виноградова

3. Якопо Буонджорно, профессор ядерной инженерии MIT_ “Микрореакторы могут полностью изменить правила игры в атомной отрасли” Атомная энергия 2.0.pdf

4. Почему в авиации используются генераторы с частотой тока именно 400 Гц _ Яндекс Дзен.







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

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=9827