Версия для печати темы

Автор: Татарин 19.10.2021, 17:32

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?

Автор: eninav 19.10.2021, 22:19

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.

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

Автор: eninav 19.10.2021, 23:14

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 https://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Stirling_radioisotope_generator. 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.

Автор: Татарин 28.10.2021, 21:18

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

Автор: nuc 28.10.2021, 21:22

Живого такого реактора нет. Всего лишь предконцептуальный проект. Таких в бывшем СССР по полкам сотни лежало. Да и уровень таких проектов, как правило тянет лишь на студенческий диплом.

Автор: eninav 29.10.2021, 9:58

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.

Автор: nuc 30.10.2021, 15:22

"Мирный атом, в каждый дом" (с)

Автор: AtomInfo.Ru 30.10.2021, 16:15

(кликабельно)
http://atominfo.ru/newsy/z0254_1.jpg

Автор: AtomInfo.Ru 30.10.2021, 16:17

То есть, в самом низу линейки мощности, кроме космоса, есть ещё и военные.
Потом постепенно добавляются гражданские потребности, начиная с наработки изотопов.

Автор: Татарин 14.1.2023, 5:03

https://www.atomic-energy.ru/news/2023/01/13/131987

Ученые МГТУ имени Баумана и Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ, входит в Курчатовский институт) предложили использовать в качестве энергоустановки для лунной базы гибридный агрегат, состоящий из ядерной установки и системы преобразования энергии по циклу Стирлинга.
"Независимо от назначения и сценария миссии, для успешного освоения Луны необходим надежный источник энергии. Таким источником может стать напланетная энергетическая станция, основанная на синергии ядерного и неядерного источников энергии в составе единой энергосистемы лунной инфраструктуры", - говорится в материалах, которые ученые собираются представить на Королевских чтениях, которые пройдут 24-27 января в Москве.

"НИЦ "Курчатовский институт" совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана считают перспективной энергетическую установку, включающую малогабаритный автономный высокотемпературный ядерный реактор и систему преобразования энергии (СПЭ), работающую по циклу Стирлинга", - уточняют ученые.

Отмечается, что ядерный реактор, который будет источником тепловой энергии, должен иметь высокую надежность, автономность и естественную безопасность. Облик реактора ученые сформировали с учетом задела в области быстрых жидкометаллических реакторов и собираются использовать в нем уже проверенные технические решения.

Сама установка, работающая по циклу Стирлинга, будет скомпонована по модульному принципу, чтобы единичный отказ одного агрегата не приводил к отказу системы в целом. Передача тепла будет происходить за счет высокотемпературных тепловых труб. Электрическая мощность установки должна составить 50 кВт.

Цикл Стирлинга подразумевает работу тепловой машины, которая содержит не только нагреватель и холодильник, но и регенератор, который на определенных этапах отводит или отдает тепло рабочему телу. Используется в том числе в воздухонезависимых силовых установках подводных лодок.

Автор: armadillo 14.1.2023, 12:19

в мощности 1квт первый вопрос - у вас есть ритег, зачем городить активную зону?

Автор: Татарин 14.1.2023, 19:51

Энергозапас выше. А эффективный энергозапас - ещё выше.

Автор: alex_bykov 14.1.2023, 21:26

На единицу массы - вряд ли. А для доставки установки на другую планету это важно - гравитационный колодец всегда берёт свою цену.

Автор: Татарин 15.1.2023, 7:00

Изотопы-рекордсмены дают 5МэВ на ядро, и на практике использована может быть только, может, половина ядер - дальше уж очень сильно падает мощность.
Деление даёт 200МэВ на ядро, и легко использовано может процентов 10. При этом выбирая текущую требуемую мощность (то есть, энергозапас тратится гораздо более эффективно).

Автор: alex_bykov 15.1.2023, 20:08

Это как раз понятно. Просто, в отличие от РИТЭГа, у реактора масса топлива составляет лишь долю от массы оборудования. Да и с биозащитой для РИТЭГа заморачиваться надо в разы меньше, т.к. там альфа-распад, в основном.

Автор: nuc 16.1.2023, 17:11

Ради мощности "в один утюг" создавать реактор?

Автор: nuc 16.1.2023, 17:12

Вот +

Автор: Татарин 17.1.2023, 20:47

Так для космоса ровно наоборот: для радиоизотопного источника нужно заморачиваться с биозащитой, иначе на земле работать будет невозможно, а урановая активная зона реактора на земле "чистая", а в космосе достаточно теневой.

Система управления маленького реактора весит мало (это ж не ВВЭР с кучей управления, защит и контроля), там и одного стержня или отражателя достаточно. Зато у реактора отсутствует система теплоотвода в нерабочем состоянии.

Ну вот сами представьте, что у вас спутник, в котором где-то в потрохах греется чушка на несколько кВт(т) (раз уж у нас 1кВт(э) взят, а мы ещё с запасом на полураспад теплива берём). И у вас этот спутник с кучей нежной электроники под обтекателем ракеты (с теплозащитой от тепловых нагрузок при проходе атмосферы), а штатный радиатор нифига не развёрнут, а тихо сидит в том же спутнике в сложеном виде. Может целую неделю на ракете стоять - пусковые операции, погода, мало ли что ещё... Плутонию-239 не скажешь же "горшочек, не вари". Это реактор тихий и безопасный, пока не включили.

Вот для эксплуатации на земле дело ровно обратное, тут согласен...

Автор: alex_bykov 17.1.2023, 21:14

Для взлёта с поверхности Земли да, такой реактор будет предпочтительнее РИТЭГа (хотя и тут вопрос упирается во время установки РИТЭГа на место, если это можно быстро сделать на стартовом столе, то РИТЭГ как-то предпочтительнее). Но, далее будет сам взлёт, т.е. опять упрёмся в полезную массу: для киловаттника всё равно понадобится больше урана и управляющих элементов и автоматики, чем для РИТЭГа (ему-то ни критмасса, ни управление не нужно), а всю эту массу надо волочь на орбиту. Далее, речь шла об использовании реактора при освоении Луны, т.е. даже если биозащиту напечатают из местных материалов на "принтере", всё равно, требования по системам управления и автоматике будут очень жёсткими - люди рядом, а "отстрелить" не получится, т.к. уже не открытый космос. Так что, не говорите мне о массе, она у такого реактора будет на порядок, а то и более, превышать массу РИТЭГа.

Автор: Superwad 24.1.2023, 15:59

Всё зависит от техзадания, что нужно иметь.
1) если брать РИТЭГ - то у него будет падать мощность со временем. Хотя вещь очень удобная и компактная. Это то же самое, что и обычные хим. батарейки - после 60 от ёмкости % идёт довольно сильный спад мощности.
2) мини АЭС имеет стабильный уровень мощности на всём протяжении срока эксплуатации. Сравнима с ДВС - тянет ровно до последней капли топлива. Кроме электричества имеется побочный вид энергии - тепло. Что очень актуально при нахождении в холодном климате. При этом оно сложнее и имеет больший вес, чем РИТЭГ. Для длительного нахождения обитаемой базы предпочтительнее именно миниАЭС, для нахождения автоматической станции - РИТЭГ.

Автор: generalissimus1966 24.1.2023, 21:22

Вообще-то, нет. Задолго до того, как реактор потеряет критичность, у него ухудшится управляемость. Поэтому вовсе не до последней капли. Ну и, опять же, не всегда нужен именно стабильный уровень, часто вначале нужно больше, а для поддержания - меньше.


У РИТЭГа тепло тоже побочный вид энергии, и как бы даже не больше. Но и у того, и у другого побочное тепло низкопотенциальное и неудобное.

Автор: nuc 25.1.2023, 4:31

Ну вот смотрите... Далеко в горах, в Штатах, пробиты шахты и создан подземный город. Стратегическое командование. Цель, сохраниться в случае атомной войны. Построен он в 50-е. Резервные источники энергии, заехавшие туда дизельные электровозы. Им требуется огромное количество солярки, которое туда же и закачано. Море солярки на многие месяцы жизни после атомной войны. Выкатить эти дизель-электровозы нельзя. После того как их вкатили вход забетонировали и остались два-три проезда для большегрузных авто. Вот тут самое то...

Автор: Superwad 27.1.2023, 10:23

Так я и пишу - всё зависит от ТЗ и имеющихся инженерных решений. То что привели в пример - это было реализовано на уровне того, что имелось в наличии. На сегодня уже можно использовать уже АСММ, РИТЭГи не пойдут - слишком маломощные для такого объекта.

Автор: nuc 28.1.2023, 17:54

Вот.

Автор: Superwad 31.1.2023, 10:28

Опять же всё зависит от техзадания, что нужно.
Про АЭС я как бы приблизительно привёл аналогию, понятно, что АЭС не будет работать по последнего нейтрона и распадающихся ядер. Естественно есть некоторый порог. Но до этого порога АЭС будет давать заложенный номинал, в отличии от неё РИТЭГ как истинная батарейка будет работать на нисходящей мощности.
Вот только параметры бросового тепла от АЭС мне кажется всё же выше будут, и при использовании ТН можно поднять до необходимых параметров, в отличии от РИТЭГа.

Автор: Татарин 8.4.2023, 19:08

https://phys.org/news/2023-04-china-stirling-orbit.html
The China National Space Agency (CNSA) has made considerable progress in recent years with the development of its Long March 5 (CZ-5) rocket and the completion of its Tiangong-3 space station. The agency also turned heads when it announced plans in June 2021 to create an International Lunar Research Station (ILRS) that would rival the Artemis Program. On top of all that, China upped the ante when it announced later that month that it also had plans to send crewed missions to Mars by 2033, concurrent with NASA's plans.


As part of their growing efforts to become a major power in space, which includes human exploration, China recently announced the completion of the first in-orbit test of a Stirling thermoelectric converter. The Shenzou-15 mission crew performed the test aboard Tiangong-3, and it was the first successful verification of the technology in space. This technology is also being investigated by NASA and is considered a technological solution to the challenges of space exploration, especially where long-duration stays and missions to locations in deep space are concerned.

Similar to how hydroelectric dams generate power, a Stirling unit converts heat into electrical energy through a series of piston-driven magnets. These pistons rely on a fuel source to generate heat, pushing the magnets back and forth through a coil of wire, generating electrical current. This process is known as the Stirling cycle, which is more efficient than solar-powered systems and conventional batteries. Compared to other power systems, it is also lightweight, has a simple structure, a quick start-up cycle, and produces minor vibrations and low noise.

All of this makes the technology appealing to spacecraft engineers and mission planners, who see it as a more sustainable means for providing power to spacecraft and surface habitats. On the one hand, it can reduce their dependence on solar energy, which is limited by solar cell efficiency and is not always accessible in certain environments. Around the moon's South Pole-Aitken Basin, where multiple agencies plan to build research stations before the end of the decade (including China's ILRS), a lunar night lasts fourteen days.

The Stirling power converter was developed by the Lanzhou Institute of Physics at the China Academy of Space Technology (CAST). It was transported aboard the space station by the Shenzou-15 crew and installed in the equipment cabinet in the Mengtian lab module. As the China Global Television Network (CGTN) reported, three in-orbit experiments were carried out in the lab module before the test run. The converter produced a stable power supply throughout, reportedly achieving a level of thermoelectric conversion efficiency that reached "an advanced international level under the same isothermal ratio."