Повышение эффективности АЭС на основе электрогенерирующих топливных элементов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В настоящее время используются два способа преобразования потенциальной энергии химических связей в электроэнергию. Первый, наиболее распространённый способ, состоит из предварительного превращения энергии химических связей в тепло. Это достигается в экзотермических реакциях горения. Затем это тепло аккумулируется в виде потенциальной энергии давления рабочего тела теплового цикла. Далее потенциальная энергия давления преобразуется в цилиндрах ДВС или проточных частях турбин в механическую энергию. Последняя, вращая электрогенератор, преобразуется в электроэнергию. Этот способ является основой современной энергетики. Сюда же можно отнести и термоэлектрические преобразователи, которые впрочем, не вносят в современную электроэнергетику ни какого вклада. Второй способ, тоже распространённый, но играющий вспомогательную роль состоит в непосредственном преобразовании энергии химических связей в электричество в гальванических элементах, в частности в аккумуляторах.

Гальванический элемент.

Остановимся на процессах прямого преобразования энергии химических связей в электричество, происходящих в гальванических элементах. “В каждом гальваническом элементе имеются два металлических электрода (полюса), между которыми возникает разность потенциалов (напряжение). Если соединить оба электрода проводником, то в нём потечёт электрический ток. Источником электрической энергии в гальванических элементах являются химические превращения, происходящие в тех местах, где электролит соприкасается с металлическими электродами”. [6]. Процессы в гальваническом элементе рассмотрим на примере элемента Даниэля. “Он состоит из цинкового электрода, погружённого в раствор сернокислого цинка, и медного, погружённого в раствор сернокислой меди. Действие элемента Даниэля основано на том, что с поверхности цинка в раствор переходят ионы цинка ; при этом по проводнику, соединяющему цинк и медь, электроны от цинка перетекают к меди, где они взаимодействуют с ионами меди , находящимися в соприкосновении с поверхностью меди, и нейтрализуют их. Цинк представляет собой отрицательный электрод элемента, медь - положительный”. [6].

Каков же механизм возникновения электродвижущей силы (ЭДС), которая совершает работу против сил электрического поля, тем самым, накачивая энергию электрического поля? “Когда ионы металла переходят из металла в раствор, они должны совершать работу против сил поля, создаваемого двойным электрическим слоем. Эта работа, энергия для которой черпается из разности химических потенциалов, тем больше, чем больше разность потенциалов двойного слоя”. [6]. Таким образом, в результате химических превращений, потенциальная энергия химических связей преобразуется в кинетическую энергию положительных ионов покидающих поверхность электрода. Электрод при этом получает отрицательный заряд. Положительно заряженные ионы движутся в растворе электролита против сил электрического поля. При этом совершается работа против поля, и кинетическая энергия положительных ионов преобразуется в потенциальную энергию электрического поля, которая используется человеком для получения полезной работы во внешней цепи. Полученная в результате химических превращений, кинетическая энергия положительных ионов и является ЭДС.

Возможная схема реализации принципов гальванического элемента в топливном элементе ядерного реактора.

Преобразование потенциальной энергии ядерных сил в настоящее время производится исключительно по первому способу, т.е. с предварительным превращением энергии ядра, высвобождающейся в реакциях деления, в тепло и затем преобразование тепловой энергии в электрическую, что сопряжено с термодинамическими ограничениями. Попытаемся реализовать идею гальванического элемента в ядерном элементе. Попытаемся хотя бы часть кинетической энергии ядерных осколков, которую они обретают при течении реакций деления ядра, использовать в качестве электродвижущей силы и превратить в электрическую энергию.

Из электротехники известно, что внутри источника тока действуют сторонние силы, отличающиеся по своей природе от электрических сил. Работа, совершаемая сторонними силами против сил электрического поля, представляет собой электродвижущую силу источника тока. При этом энергия, порождающая сторонние силы преобразуется в электрическую энергию (например, [4]). Реализуем этот эффект в топливном элементе реактора. Тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) при течении реакций ядерного деления испускает заряженные ядерные осколки, обладающие огромной кинетической энергией. Если организовать движение заряженных ядерных осколков против сил электрического поля, то кинетическая энергия заряженных осколков будет производить работу против электрических сил поля, будет представлять собой электродвижущую силу. Кинетическая энергия осколков, полученная ими в реакциях деления из ядерной энергии, будет преобразовываться непосредственно в энергию электрического поля, в электрическую энергию.

Основу ядерных реакторов составляют ТВЭЛы, в которых протекают цепные реакции ядерного деления, сопровождающиеся выделением огромного количества энергии. В процессе деления ядро распадается на две важнейшие, для дальнейшего изложения, части. Это положительно заряженные осколки, вылетающие из ТВЭЛа и электронного облака, остающегося в объёме ТВЭЛа. При этом ТВЭЛ приобретает отрицательный заряд. В сегодняшних реакторах эти свободные электроны быстро захватываются положительно заряженными осколками и последние превращаются в нейтральные атомы. Теперь их кинетическая энергия не может производить работу против сил электрического поля. Она может превратиться только в тепло в результате диссипации огромной кинетической энергии нейтральных осколков. Первое, что необходимо для реализации идеи ядерного элемента, аналога гальванического, это не допустить восстановление ядерных осколков до нейтральных атомов. Необходимо развести потоки положительных осколков и электронов облака по разным путям. Второе - необходимо использовать кинетическую энергию положительно заряженных осколков в качестве ЭДС против сил электрического поля.

Изучение уровня техники показывает, что общим недостатком ядерных реакторов, в том числе гетерогенных реакторов с традиционными топливными элементами (ТВЭЛами) является низкий КПД производства электроэнергии на атомных электростанциях в сравнении с электростанциями на органическом топливе. Связано это с более низкой температурой рабочего тела на входе в паровую турбину, из-за ограничений связанных с надёжностью реактора. Это один из основных недостатков, снижающих конкурентоспособность атомных электростанций в сравнении с электростанциями на органическом топливе. Вторым недостатком является низкая эффективность теплоотвода из активной зоны реактора. Особенно сложна проблема теплоотвода в реакторах на быстрых нейтронах, где энерговыделение громадно (около 0,5 кВт на кубический сантиметр) (например, [5]). Есть технологии использования энергии ядерного деления в МГД установках (МПК G21D 7/02) и с применением термопар (МПК G21D 7/04), но они не нашли применения в производственной практике.

Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной нами задачи, является обеспечение возможности преобразования части кинетической энергии осколков реакций ядерного деления в энергию электрического поля за счет исключения нейтрализации положительно заряженных ядерных осколков, а также упрощение системы теплоотвода, относительное снижение радиоактивных отходов и затрат на их захоронение.

Рис. 1

Суть идеи изображена на принципиальной конструктивной схеме ядерного элемента. Рассмотрим схему. На схеме цифрой - 1 изображён ТВЭЛ, в котором протекает реакция деления. В результате реакции из ТВЭЛа вылетают с высокой энергией положительно заряженные осколки - 5, а электронное облако заряжает ТВЭЛ отрицательно. Корпус ТВЭЛа - 1 выполнен из электропроводящего материала (сталь). ТВЭЛ коаксиально охватывается вторым электропроводным корпусом - 2. Пространство между корпусом ТВЭЛа и вторым корпусом - 2 заполнено не электропроводящим материалом (диэлектриком). Диэлектрик не позволяет электронному облаку двигаться вслед за осколками и с другой стороны оказывает малое сопротивление движению высоко энергетических осколков. Для того, что бы окончательно развести пути положительных осколков и электронов, соединим корпус ТВЭЛа - 1 и внешний корпус ядерного элемента - 2 внешней электрической цепью через потребителя электроэнергии - 4. Чтобы использовать кинетическую энергию положительно заряженных осколков в качестве ЭДС необходимо заставить положительно заряженные осколки двигаться против поля. Для этого с помощью внешнего источника напряжения - 3 создадим разность потенциалов между корпусом ТВЭЛа и вторым корпусом ядерного элемента как показано на схеме. Такая конструктивная схема позволит преобразовывать часть кинетической энергии осколков непосредственно в электричество. Разница с гальваническим элементом состоит в том, что в гальваническом элементе электрическое поле, против которого действует ЭДС, возникает естественным путём в результате электрохимических превращений, а у нас создаётся искусственно.

В электрогенерирующем топливном элементе энергетического ядерного реактора процесс прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую энергию происходит следующим образом.

В процессе ядерной реакции деления в топливном элементе, ядро распадается на три части. Это два положительно заряженных осколка, вылетающих из объёма трубчатого кожуха - 1 и электронного облака, остающегося в его объёме. При этом ТВЭЛ приобретает отрицательный заряд. В реакторах с известными ТВЭЛами, эти свободные электроны, освободившиеся в результате реакции ядерного деления, быстро захватываются положительно заряженными осколками и последние превращаются в нейтральные атомы. Теперь кинетическая энергия нейтральных осколков не может производить работу против сил электрического поля, не может использоваться в качестве электродвижущей силы и превратиться в электрическую энергию. Она может превратиться только в тепло в результате диссипации огромной кинетической энергии нейтральных осколков. Для исключения нейтрализации положительно заряженных ядерных осколков, покинувших объём трубчатого кожуха - 1 электронами, освободившимися при реакции деления, создаётся с одной стороны перепад напряжений между трубчатым кожухом - 1 и коаксиальным корпусом - 2 за счёт внешнего источника напряжения - 3, с другой стороны пространство между трубчатым кожухом - 1 и коаксиальным корпусом - 2 заполнено диэлектриком, который также ограничивает движение освободившихся электронов для воссоединения с положительно заряженными ядерными осколками. Для движения высоко энергетичных положительно заряженных ядерных осколков - 5, вылетевших из объёма трубчатого кожуха - 1 и движущихся с огромной кинетической энергией в сторону положительно заряженного коаксиального корпуса, диэлектрик не составляет сколько-нибудь значительного препятствия. При этом свободные электроны из объёма трубчатого кожуха - 1 по внешней цепи - 4 потребителя, легко переходят на внешний коаксиальный корпус - 2 электрогенерирующего ТВЭЛа и воссоединяются с положительно заряженными осколками, достигшими коаксиального корпуса - 2. Движение высоко энергетичных положительно заряженных ядерных осколков - 5 происходит против сил поля и их кинетическая энергия, производя работу против сил поля, выполняет роль электродвижущей силы, преобразуясь в электрическую энергию поля. Электрическая энергия потребляется во внешней цепи - 4.

Такая конструктивная схема топливного элемента позволит преобразовывать часть кинетической энергии осколков непосредственно в электричество. Другая часть кинетической энергии осколков, превратившаяся в тепло, преобразуется в электричество по традиционной схеме АЭС.

В качестве диэлектрика можно использовать либо вакуум, либо инертный газ, либо жидкий или твёрдый диэлектрик. Возможно также, чтобы в качестве диэлектрика была использована комбинация веществ, например, пористый твёрдый диэлектрик, с заполненными инертным газом или жидким диэлектриком, порами.

Сделаем численные оценки перепада напряжения между корпусом ТВЭЛа и вторым корпусом ядерного элемента. “Ядро чаще всего делится на два осколка. Наиболее вероятно деление на осколки, один из которых в полтора раза тяжелее другого”. [5]. Это для тепловых нейтронов. “По мере увеличения энергии возбуждения ядра всё большую роль начинает играть симметричное деление на два осколка с близкими массами”. [7]. Это относится к реакторам на быстрых нейтронах. Примем для оценки симметричное деление. Рассмотрим деление ядра . Энергия одного осколка урана составляет примерно 80Мэв. [5]. Заряд осколка примем +45e.

Составим уравнение баланса энергии при условии, что вся кинетическая энергия осколка перейдёт в потенциальную энергию электрического поля.

кинетический гальванический ядерный реактор

(1),

где: - кинетическая энергия одного осколка; - число протонов в осколке; - заряд электрона; - перепад напряжения между ТВЭЛом и вторым корпусом элемента.

Из (1) получаем:

Даже если мы создадим в ядерном элементе перепад напряжения в 10-ть раз меньший, порядка 200 киловольт, то и в этом случае будет преобразована непосредственно в электроэнергию десятая часть ядерной энергии деления. КПД атомной электростанции повысится на 10%. В связи с ростом КПД, снизится и относительная доля радиоактивных отходов на выработанный киловатт-час. При этом снизится острота проблемы отвода тепла из активной зоны реактора, так как энергия деления, непосредственно преобразовавшаяся в электрическую, минуя стадию превращения в тепло, не будет вызывать повышение температуры среды активной зоны реактора. Особый эффект электрогенерирующие ТВЭЛы могут дать в реакторах на быстрых нейтронах, в которых более плотный поток ядерных осколков, что с одной стороны уменьшает габариты электрогенерирующих ТВЭЛов, при заданной мощности, а стало быть и реакторов, с другой интенсивнее снижает проблему перегрева активной зоны, особенно актуальную именно в реакторах на быстрых нейтронах. Применение электрогенерирующих ТВЭЛов может ускорить широкое внедрение реакторов на быстрых нейтронах, что снимет остроту нехватки энергоресурсов. Запасы тория, который можно использовать в реакторах на быстрых нейтронах, практически неисчерпаемы.

Литература

1. Геворкян Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. - М.: “Высшая школа”, 1972, 600с.

2. Ерёмин Е.Н. Основы химической термодинамики. -М.:“Высшая школа”, 1978, 391с.

3. Косарев. Ядерный элемент - технология прямого преобразования энергии деления ядер в электричество. // Научные труды 12-й межвузовской Российской научной конференции “Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах”. Балаково, Из-во СООО “АН ВЭ”, 2011г., с. 90-92.

4. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество. - М.: “Просвещение”, 1970, 488с.

5. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. - М.: “Наука”, 1972, 672с.

6. Эрдеи-Груз Т. Химические источники энергии. - М.: “Мир”, 1974, 304с.

7. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983 - 945с.

Размещено на Allbest.ru