Утилизация тепловой энергии АЭС (стр. 2 )

-использование в активной зоне реактора шестигранных кассет, содержащих цилиндрические ТВЭЛы из двуокиси урана с покрытием из сплава циркония с 1% ниобия;

-применение для изготовления корпуса реактора высокопрочных хромомолибденовых сталей; использование для производства насыщенного пара парогенераторов горизонтального типа.

Существенные отличия конструктивного решения активной зоны реактора ВВЭР-1000 заключаются в следующем:

-в энергетике традиционно используется треугольная разбивка ячеек зоны, что определяет шестигранную форму кассет, позволяющую более плотно использовать пространства активной зоны;

-размеры тепловыделяющих элементов к реактору ВВЭР-1000 имеют меньший диаметр (9,1мм) при шаге решетки 12,75 мм, что обеспечивает относительно большую поверхность теплосъема и позволяет получить ту же мощность при меньшей загрузке топлива без увеличения удельной тепловой нагрузки на единицу поверхности ТВЭЛов.

Средние удельные расходы металла на единицу мощности в реакторах ВВЭР-1000 составляют около 0,7 тонн на МВт. Большая доля объема конденсатора в общем, объеме контура для реактора ВВЭР-1000, а так же большая относительная мощность электронагревателей позволяют этой установке успешно преодолевать переходные и аварийные режимы.

На рисунке 2 представлена принципиальная схема АЭС с реактором ВВЭР-1000.

Рис.2.

Тепловая схема АЭС с реакторами ВВЭР почти такая же, как у АЭС с реакторами РБМК. Нагретая в реакторе вода по трубам поступает к турбине либо прямиком, либо проходя через второй тепловой контур.

Потом пар конденсируется и снова поступает в реактор. Вода, циркулирующая в первом и втором контурах реактора химически очищена от солей и примесей и не поступает в окружающую среду. Тем самым обеспечивается экологическая безопасность процесса выработки электроэнергии.

2.3..Источники тепла для возможного дополнительного преобразования энергии на АЭС.

а) для электростанций с реакторами ВВЭР – корпус реактора, главные трубопроводы от реактора до теплообменника, парогенератор, паропроводы до турбин, цилиндры высокого, среднего и низкого давления, корпуса генераторов, конденсаторы.

б)для электростанций с реакторами РБМК – корпус реактора, главные трубопроводы от реактора до барабан-сепараторов, паропроводы до турбин, цилиндры высокого и низкого давления), корпуса генераторов, конденсаторы.

Масса реактора составляет сотни ( реакторы ВВЭР) и даже тысячи тонн ( реакторы РБМК).

Источники с наибольшей температурой поверхности – реакторы, главные трубопроводы, цилиндры высокого давления.

Возможность использования тепловой энергии от структурных элементов АЭС:

Наибольшая плотность теплового потока у реакторов, затем трубопроводов, парогенераторов и барабан-сепараторов. Поэтому для обеспечения собственных нужд АЭС отбор тепла можно вести с любого из указанных структурных элементов, для решения задач аварийного энергоснабжения необходимо использование инерционных в тепловом отношении элементов – реактора, корпусов турбин, генераторов.

Интерес представляет также использование тепловой энергии радиоактивного распада облученного ядерного топлива в бассейнах выдержки и хранилище отработавшего ядерного топлива (ХОЯТ), поскольку отработавшее ядерное топливо после извлечения из реактора обладает остаточным тепловыделением вследствие радиоактивного распада осколков деления ядер ( около 15 кВт/тонну ОЯТ).. И хотя со временем активность ОЯТ снижается, поступление «свежего» ОЯТ будет поддерживать энерговыделение на достаточно высоком для преобразования уровне. Так, например, при ежегодном извлечении из реактора РБМК-1000 50 тонн ОЯТ эквивалентно поступлению в ХОЯТ 800 кВт тепловой энергии, которая в течение года падает не слишком быстро.

Не вызывает сомнений, что если использовать тепловыделение ядерного реактора с его поверхности, то можно получить существенную величину электрической энергии, пригодной для использования на собственные нужды АЭС. Даже при остановленном реакторе остаточное тепловыделение будет происходить с относительно большой постоянной времени. Рассмотрим процесс охлаждения реактора после прекращения реакции деления ядер, считая его установившуюся температуру равной 3000С. Уравнение охлаждение физического тела имеет вид

∆θ=∆θуст*е-t/T,

где ∆θ – изменение температуры тела;

∆θуст - установившаяся температура;

Т постоянная времени охлаждения.

Постоянная времени может быть определена следующим образом:

Т=,

где с-удельная теплоемкость материала;

М – масса тела;

α –коэффициент теплоотдачи;

S- поверхность охлаждения тела.

Постоянную времени можно условно определить как время, в течение которого температура тела уменьшается в 3 раза.

Если рассмотреть корпус реактора ВВЭР-1000, то удельная теплоемкость стали примерно равна 0,54 кДж/(кг*К), а масса корпуса с содержимым примерно 300 тонн. Тогда можно определить примерную постоянную времени охлаждения реактора как

Т== 54 сек.

На самом деле постоянная времени будет заметно больше, если учесть другие элементы конструкции и массу нагретой воды.

У реактора РБМК-1000 размеры существенно больше, больше и масса. Одного замедлителя (графита) около 2000 тонн. Если принять условно массу реактора в 3000 тонн, охлаждающую поверхность в 750 кв. м, а усредненный коэффициент удельной теплоемкости в 0,6кДж/(кг*К), то постоянная времени охлаждения составит примерно

Т= = 120 сек.

Аналогичным образом можно оценить постоянную времени охлаждения корпуса турбогенератора и других объектов АЭС, нагреваемых в процессе работы до высокой температуры. Например, для турбогенераторов ТВВ-500-2, имеющих массу 325 тонн, поверхность охлаждения корпуса около 80 кв. м, постоянная времени охлаждения составит примерно 100 сек.

Таким образом, тепловой поток даже при выключенном реакторе может быть достаточным для обеспечения работоспособности систем обеспечения безопасности в течение почти минуты, что повышает эксплуатационную надежность АЭС.

А при работающей в номинальном режиме АЭС тепловые потоки с различных участков технологической цепи могут позволить вырабатывать заметное количество дополнительной электроэнергии.

Вопрос состоит в обосновании способа преобразования потерь тепла в полезную электроэнергию.

3. Теплоэнергетические преобразователи.

3.1.Принцип работы теплоэлектрических преобразователей

В большинстве случаев нас в виде конечного вида энергии интересует электроэнергия. Наиболее распространенные сегодня электростанции (ТЭЦ, АЭС) вырабатывают электроэнергию путём многих последовательных ступеней преобразования, причём всякая ступень преобразования энергии характеризуется большими или меньшими потерями, и ясно, что число промежуточных ступеней преобразования желательно по возможности уменьшить до минимума.

Установки, преобразующие теплоту в электроэнергию, минуя стадию механической энергии, принято называть установками прямого преобразования энергии.

Основным достоинством этих установок является их статичность-отсутствие движущихся частей. Что же их тепловой экономичности, то в связи с термодинамическим несовершенством их КПД в подавляющем большинстве случаев ниже, чем у лучших теплосиловых установок, имеющих роторную природу.

Поэтому системы прямого преобразования энергии наиболее целесообразно применять там, где от установки требуется надёжность, безопасность, возможность работы в автономном режиме без какого-либо обслуживания.

Поскольку исходным видом энергии в установках прямого преобразования энергии является теплота, их КПД при получении электроэнергии подчиняется ограничениям второго закона термодинамики и, соответственно не может превосходить КПД цикла Карно, осуществляемого в том же интервале температур.

Известны два основных типа теплоэлектрических преобразователей – термоэлектрические и термоэмиссионные.

3.1.1.Термоэлектрогенераторы.

Работа термоэлектрогенераторов (ТЭГ) основана на так называемых термоэлектрических эффектах: эффекте Пельтье, эффекте Зеебека и эффекте Томсона. Эффект Зеебека заключается в возникновении термоЭДС, являющейся функцией температур холодных и горячих спаев и свойств материалов электродов термопары. Эффект Пельтье заключается в том, что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, в местах их соединения при прохождении электрического тока выделяется или поглощается тепло. Эффект Томсона заключается в выделении или поглощении тепла при прохождении тока в однородном проводнике, вдоль которого имеется изменение температуры.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на эффекте возникновения контактной разности потенциалов – термоЭДС в электрической цепи, составленной из двух термоэлектродов: разнородных проводников или разнородных полупроводников или проводника и полупроводника. Если внешняя цепь термопары замкнута и температуры обоих контактных соединений ( спаев) А и В одинаковы ( рис.3), то контактные разности потенциалов Еа и Ев уравновесят друг друга ( Еа=Ев) и ток в цепи будет отсутствовать. Если же спаи термопары находятся при разных температурах( Та≠Тв), то в цепи возникает результирующая термоЭДС Е и по цепи потечет ток.

Рис.3.

На рисунке 3 приведена принципиальная схема одного термоэлемента ТЭГ. Термоэлектроды 1 и 2, выполненные из различных материалов, электрически соединены в спаях А и В. Электрод 2 разорван, и в этот разрыв помещены ключ и нагрузка R. Если спаи А и В поддерживать при различных температурах Т 1 и Т2, то при разомкнутом ключе в цепи будет существовать некоторая разность потенциалов. Если ключ замкнуть, то в цепи потечёт электрический ток I. Эффект Пельтье гласит: при протекании тока I через спай разнородных проводников в этом спае поглощается или выделяется теплота. В спае Аток течёт от проводника 1 к проводнику 2, за счёт этого в этом спае поглощается теплота. В спае В ток течёт в обратном направлении из-за чего в нём выделяется теплота. Таким образом при протекании тока I в цепи, где действует ЭДС, будет произведена электрическая энергия.