Утилизация тепловой энергии АЭС (стр. 4 )

Эффект нейтрализации пространственного заряда достигается при низких давлениях паров цезия; например, при межэлектродном расстоянии в 1 мм давление составляет десятки паскалей. Для получения приемлемых характеристик в газонаполненном ТЭМГ необходимо было соблюдение в межэлектродном пространстве такого низкого давления газа (десятки паскалей), которое обеспечивало бы превышение длинны сводного пробега эмитируемых катодом электронов над межэлектродным расстоянием. Однако, если этот предел будет значительно превышен и в межэлектродном пространстве будет находиться высоко или полностью ионизированный цезиевый газ – плазма, представляющий собой хороший проводник тока, то термоэмиссионный генератор становится подобным термоэлектрическому контактному генератору со всеми присущими ему явлениями Зеебека, Пельтье и Томсона. При этом цезиевая плазма может быть нагрета до очень высокой температуры в несколько тысяч Кельвин, а длинна свободного пробега её частиц становиться во много раз меньше расстояния между электродами. Плазма в межэлектродном зазоре имеет составляющие электрического сопротивления вследствие Кулоновских столкновений электронов с ионами rе и с нейтральными атомами rн. Обе составляющие для цезиевой плазмы имеют одно и то же значение: rе=rн=0,16 ОмXсм. Если учесть все потери в плазменном ТЭМГ и подсчитать КПД, то для наиболее приемлемой области исходных условий максимальный КПД получается равным, примерно, 25%. Также можно сказать что выходное напряжение непосредственно зависит от падения потенциала в плазме и потенциала выхода анода.

Обе величины надо сохранять минимальными для получения наибольшего U. Замечено, что повышение давления паров цезия в плазме сказывается на увеличении мощности ТЭМГ, но только до определённого предела, соответствующего достижению критического значения падения потенциала в плазме. Вакуумные, газонаполненные и плазменные термоэмиссионные генераторы нашли применение, как в промышленности, так и в энергетике. В существующих ТЭМГ мощностью 27 кВт с нагревом от ядерного реактора катоды выполнены из торированного вольфрама, аноды - из чистого вольфрама. Нейтрализация объемного заряда в межэлектродном зазоре осуществляется введением цезиевой плазмы. При температуре катода

Тк=2000 К, температуре анода Та=1000 К и потенциале выхода анода

jа=2,6 В расчетная удельная мощность генератора составляет 10 Вт/см^2.

КПД ТЭМГ 9,7%; масса установки равна 640 кг.

Термоэмиссионные генераторы с ядерными источниками тепа всё более завоёвывают себе место в наземной энергетике различного назначения из-за относительной простоты и высоких технико-экономических показателей.

4.Характеристики современных термоэлектропреобразователей.

Работы в области термоэлектрических преобразователей получили достаточно широкий размах начиная с начала 60-х годов ХХ века в СССР, США и ряде других стран. Интерес к этим преобразователям объясняется тем, что подобные методы преобразования энергии упрощают схему установок, исключают промежуточные этапы превращения энергии и позволяют создать легкие компактные установки.

Естественно, наибольший интерес к ТЭП проявили разработчики космической техники, поскольку для электропитания космических аппаратов нужны надежные, долговечные источники энергии. Первый опыт создания таких источников в нашей стране был получен при запуске в космос аппаратов с радиоизотопными источниками энергии. В сентябре 1965 г. впервые в России в космос были запущены два спутника связи «Космос-84», «Космос – 90» на которых находились радиоизотопные ТЭГ «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт.

В последующие годы проводились работы, направленные на повышение мощности и ресурса ТЭГ для луноходов и космических аппаратов дальнего космоса. Но радиоизотопные ТЭГ обладали невысокой мощностью, высокой стоимостью и поэтому работы по их исследованию были свернуты.

Основное внимание ученых переключилось на создание энергетической установки на основе ядерного реактора и ТЭП. Удалось создать новый тип установок, в которых источник тепловой энергии – ядерный реактор и преобразователь тепловой энергии в электрическую объединены в единый агрегат – реактор-преобразователь. В 1964 году была сооружена и прошла полный цикл ядерных энергетических испытаний экспериментальная установка «Ромашка». Эта установка являлась высокотемпературным реактором- преобразователем на быстрых нейтронах, в котором тепло, выделяемое в активной зоне, передавалось за счет теплопроводности материалов на расположенный на внешней поверхности отражателя термоэлектрический преобразователь, вырабатывавший до 500 Вт электрической энергии(рис.5)

Рис.5.

1-термоэлектрические элементы; 2-отверстия для стержней регулирования и аварийной защиты; 3-теплоизоляция; 4-верхний торцовый отражатель; 5-боковой отражатель; 6-графитовая рубашка; 7-тепловыделяющие элементы из карбида урана; 8-графитовый замедлитель; 9-нижний торцовый отражатель.

Пуск и успешные испытания установки «Ромашка» показали, что можно создать работающий высокотемпературный ядерный реактор-преобразователь, который позволяет непосредственно получить электроэнергию без участия каких-либо движущихся частей и механизмов и экспериментально доказана его способность к длительной работе. Последующие исследования показали, что достигнутые параметры и ресурс не являются предельными и могут быть существенно улучшены.

В 1970 г. была запущена в космос ядерная энергетическая установка «БЭС-5» мощностью 1000 Вт и до 1989 г. их стало 31.

В процессе эксплуатации установок их мощность была доведена до 3 кВт с продлением ресурса до 6-12 месяцев.

Параллельно с работами по теплоэнергетическим преобразователям проводились работы по ядерным энергоустановкам с термоэмиссионными преобразователями, имеющими более высокие технические характеристики.

Работы проводились по двум типам установок, отличающихся:

-конструкцией основного элемента ЯЭУ – электрогенерирующего канала(ЭГК);.

-конструкцией генератора паров рабочего тела (цезия).

Было выявлено, что для термоэмиссионных реакторов-преобразователей с замедлителем нейтронов предельная удельная мощность составляет 2 Вт/см2, для ТРП на быстрых нейтронах – более 5 Вт/см2.

В 1987г. была запущена в космос ядерная энергетическая установка «Топаз-1» с номинальной мощностью 3 кВт

В 1992 г. совместно с американскими специалистами были проведены испытания установки «Топаз-2» мощностью до 6 кВт при температуре теплоносителя на выходе из реактора до 5700С . На основе установки «Топаз» был разработан ряд установок мощностью до 150 кВт.

Сравнительно недавно появилась информация о термоэлектрическом генераторе «Altec-8020», предназначенном для преобразования в электрическую энергию, промышленных тепловых отходов тепловых машин (двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин и т. п.) использование таких генераторов обеспечивает экономию энергоресурсов на 5-7%. В этом ТЭГ теплообменники горячего контура передают тепло к термоэлектрическим модулям высокотемпературной силиконовой жидкостью. Теплообменники холодного контура отводят тепло от термоэлектрических модулей проточной водой. Генератор может применяться для создания мощных термоэлектрических систем. Соединение определенного числа ТЭГ обеспечивает потребителю необходимую электрическую мощность.

Один модуль ТЭГ имеет электрическую мощность 500 Вт, габаритные размеры 320х305х125 мм и массу 14 кг.

5.. Паросиловой цикл дополнительного использования тепловой энергии.

Основным недостатком термоэлектрических преобразователей прямого действия является относительно небольшой КПД( в пределах единиц процентов) и значительную стоимость, поэтому применять их в случае невысокой исходной температуры теплоносителя не очень выгодно. А на АЭС главные потери тепла происходят в конденсаторах при температуре конденсата всего лишь в десятки градусов Цельсия. Использовать этот тепловой поток для дополнительной выработки электроэнергии можно с помощью обычного паросилового цикла, но с использованием нетрадиционных видов теплоносителя.

В качестве примера можно рассмотреть известные энергетические установки преобразования тепловой энергии океана, работающие на разности температур поверхностных и глубинных водных масс.

Первые гидротермальные установки появились в конце Х1Х века на базе идей французского физика Арсонваля благодаря инициативе Жоржа Клода. На Кубе была построена первая гидротермальная электростанция, в которой поверхностная морская вода отдавала свое тепло обессоленной воде - теплоносителю, которая при частичном вакууммировании превращалась в пар и вращала паровую турбину. А затем пар конденсировался холодной водой с глубины и вновь поступал в парогенератор.

В последующие годы гидротермальные электростанции усовершенствовались, в качестве теплоносителя в них стали применяться легкоиспаряющиеся жидкости, что позволило поднять КПД. Подобная ГТЭС работает в Абиджане (Кот –Дивуар) и имеет мощность 14МВт.

В США, Японии, Франции и др. странах ведутся работы по программе ОТЭК( преобразование энергии океана). В результате были построены ГТЭС около Гавайских островов в Тихом океане (мощностью 50 кВт) на аммиаке, ОТЭК-1 (1МВТ), ОТЭК-2 (40 МВт) и ГТЭС в Японии (100 МВт). Имеются опытные электростанции с использованием фреона и изобутана.

Можно предложить использовать подобную структуру преобразования тепла и для АЭС, с использованием тепла вод, сбрасываемых из конденсаторов в окружающую среду. Для охлаждения отработавшего в турбинах теплоносителя можно использовать воду подземных артезианских источников, идущую в системы водоснабжения населенных пунктов.

Использованная литература.

1.Под ред. . Атомная энергетика сегодня и завтра.- М.: Высш. шк.,1989.

2., . Энергетика. Проблемы и перспективы.-М.:Энергия,1981.

3.Под ред. Коробана летательных аппаратов.-М.: Машиностроение,1975.

4. , . А нужна ли нам ядерная энергетика?-М.:Издат,1992.

5. . Радиация вокруг нас. –Смоленск, Знание.2003.

6.

.