Малые реакторы со стирлингами, недооценённая тема Опции

[Татарин]

Преимущества стирлингов как тепловых машин общеизвестны - возможность приблизиться к циклу Карно (вплоть до совпадения) и получить максимальный КПД с данного перепада температур.
Недостатки (из-за которых стирлингов в реальной технике фиг сыщешь) тоже общеизвестны: большая материалоёмкость (в пересчёте на мощность при высоком КПД), следующая высокая цена (в пересчёте на мощность), плохая масштабируемость вверх.

Так вот, утверждается (мною тут, но далеко не только), что эти недостатки сильно уменьшают значение (или вообще исчезают) при применении стирлингов в малых (именно малых - 1-500кВт) реакторах с большим ресурсом зоны (10-50 лет).

Реактор сам по себе штука большая и тяжёлая, плюс биозащита, материалоёмкостью тут никого не удивишь и не испугаешь. Малый реактор - штука очень дорогая, то есть, цена преобразователя не имеет большого значения, если она поможет повысить КПД и уменьшить тот самый дорогой реактор (или продлить его ресурс, допустим).
Одна из двух фундаментальных проблем стирлинга - подвод тепла снаружи - в случае реактора просто исчезает: ядерное топливо генерирует тепло в своём объёме, его можно поместить в герметичный объём стилинга и не трогать после этого. Прокачивать газ прямо через объём топлива с развитой поверхностью несложно (и для реакторщиков вроде как само собой разумеется).
Раз топливо уже в герметичном объёме, а газ никуда из него не уходит, поверхность теплообмена может быть очень развитой.
Малая мощность реактора решает вопрос с остаточным энерговыделением: поверхности корпуса должно быть достаточно даже при потере давления.

Потенциально возможный высокий КПД серьёзно облегчает проблему теплоотвода: при КПД 30% нужно отвести в 4 раза больше тепла, чем при КПД 60%, что тоже очень важно именно для малых реакторов и их применений. Он же снижает требования к ресурсу зоны, запасу реактивности и т.д..

...
Из известного для затравки можно назвать американский "Килопавер", (1-50кВт в разных вариациях на тему).

И русских... не могу назвать ни одного.

Может, зря?

[eninav]

Я мало что понимаю в двигателях стирлинга, но ИМХО большой проблемой будет обеспечить абсолютную герметичность поршня, а здесь это важно, вы же собираетесь газ прямо сквозь активную зону качать. Износ тоже никто не отменял. У дизелей ресурс до капремонта всего-то 10 тыс. часов, т.е. чуть больше года непрерывной работы. А поскольку сложно гарантировать абсолютную герметичность ТВЭЛов за десятки лет работы, внутренности двигателя наверняка будут грязными, что очень сильно осложнит капремонт.

КМК, для подобных целей как раз лучше взять какой-нибудь тип термопреобразователей (термоэлектрический, термоэмиссионный). КПД будет ниже, зато полное отсутствие движущихся частей, отсюда абсолютная надежность и необслуживаемость (РИТЭГи Вояджеров работают уже полвека, и похоже что раньше распадется плутоний-238, чем выйдут из строя преобразователи). КПД космических РИТЭГов около 5%, но там высокая температура радиатора ~300 гр (сбрасывать тепло в космосе - большая проблема), на Земле с хорошим охлаждением может быть будет и больше.

А ресурс для такого диапазона мощностей не слишком большая проблема, при 10 квт эл. и кпд 5% тепловая мощность 200 квт, а это ~80 грамм урана в год даже при 100% киум, 12 лет = 1 кг. А топливная загрузка, если не превышать допустимое обогащение 20%, будет не меньше 100 кг (на S2W столько было). Даже при 1 МВт тепловых (50 квт эл) хватит на 35 лет при 15% выгорании. Мало — сделайте загрузку не 100 кг а 200.

И русских... не могу назвать ни одного.

Я знаю только космические бук-топаз, как раз с термоэмиссионным преобразователем, 5-7 квт электрических при 100-150 тепловых. Но там обогащение практически оружейное.

Сообщение отредактировал eninav - 19.10.2021, 23:01

[eninav]

P.S. Погуглил - оказывается, НАСА пытались сделать нечто подобное со стирлиногом, только источником тепла там был не реактор, а обычный РИТЭГ на плутонии-238 — проект ASRG. В результате, потратили 260 млн $ (в два раза больше, чем изначально планировали), и свернули разработки. Основной проблемой был именно ресурс, удалось добиться всего 175 часов. НАСА весьма серьезная контора, веников не вяжет. Если уж у нее не получилось, значит там все гораздо сложнее, чем кажется со стороны.

Сообщение отредактировал eninav - 19.10.2021, 23:16

[Татарин]

P.S. Погуглил - оказывается, НАСА пытались сделать нечто подобное со стирлиногом, только источником тепла там был не реактор, а обычный РИТЭГ на плутонии-238 — проект ASRG. В результате, потратили 260 млн $ (в два раза больше, чем изначально планировали), и свернули разработки. Основной проблемой был именно ресурс, удалось добиться всего 175 часов. НАСА весьма серьезная контора, веников не вяжет. Если уж у нее не получилось, значит там все гораздо сложнее, чем кажется со стороны.

Kilopower - не пытались, а сделали. Это именно реактор, и именно со стирлингами.

[eninav]

Kilopower - не пытались, а сделали. Это именно реактор, и именно со стирлингами.

Там все-таки газ через АЗ не качают. Отвод тепла из АЗ тепловыми трубками, а там уже стирлинг. И опять же, насчет ресурса непонятно.

А вообще, для чего нужен киловаттный реактор? Космос - понятно. А не Земле? Имхо, для таких диапазонов мощностей стоимость на киловатт будет зашкаливать. Дешевле солярку жечь.

[nuc]

Там все-таки газ через АЗ не качают. Отвод тепла из АЗ тепловыми трубками, а там уже стирлинг. И опять же, насчет ресурса непонятно.

А вообще, для чего нужен киловаттный реактор? Космос - понятно. А не Земле? Имхо, для таких диапазонов мощностей стоимость на киловатт будет зашкаливать. Дешевле солярку жечь.

"Мирный атом, в каждый дом" (с)