AMTEC для генерации на БН Опции

[Татарин]

А кто-нибудь знает, кто-нибудь рассматривал AMTEC как способ генерации на реакторах с натрием как теплоносителем?

[VBVB]

А кто-нибудь знает, кто-нибудь рассматривал AMTEC как способ генерации на реакторах с натрием как теплоносителем?

Занятный метод прямой конверсии теплоты ядерного деления посредством парофазного термодинамико-электрохимического цикла натриевого теплоносителя описан.
Какие препятствия в реализации такой технологии видятся. Натриевый пар температурой 900–1300 K идет в высокотемпературную твердотельную электрохимическую ячейку, где вырабатывает электрическую энергию и конденсируется в холодильнике с температурой 400–700 K. При этом указывается, что кпд процесса 15-40%. Т.е. можно понять, что при температуре натриевого пара 1300 К и температуре натрия в холодильнике 700 К кпд будет 40%, а при температуре натриевого пара 900 К и температуре натрия в холодильнике выше 400 К кпд будет около 15%.
Однако у того же БН-800 температура натрия в первичном контуре только 846 К.
http://www.ippe.ru/podr/ippe1/rpr/3-4rpr.php
Насколько понял, при повышении температуре натриевого теплоносителя в БН-600/800 выше 900-950 К ожидаются проблемы с конструкционными тепловыделяющих кассет, стальные оболочки твэлов распухать начинают, и теплогидравлика становится плохорегулируемой. Т.е. если напрямую к БН-800 приделать AMTEC-конвертер, то ожидаем кпд заметно менее 15%. Оно такое надо?
Видимо для такой технологии какой-то специализированный БН с повышенной теплонапряженностью создавать надо. А это более обогащенное топливо, большая первоначальная реактивность, улучшенные или новые конструкционные материалы и т.п..

Если уж только такой процесс генерации электроэнергии от БНа и рассматривать, то скорее для создания космической ЯЭУ, где в центре малый БН, а за оболочкой реактора огромный AMTEC-конвертер с пространственно протяженными холодильниками большой площади. Тогда реально и термодинамику процесса улучшить за счет лучшего охлаждения натрия и теплоту уровня до 5-10 МВт можно попытаться приемлемо рассеивать за счет лучистого теплообмена без заморачивания с капельным охлаждением.

AMTEC-конвертер кажется скорее более пригодным для симбиоза с ВТГРами.

Сообщение отредактировал VBVB - 27.9.2013, 4:51

[Татарин]

Т.е. если напрямую к БН-800 приделать AMTEC-конвертер, то ожидаем кпд заметно менее 15%. Оно такое надо?

Тепло от АМТЕС нужно отводить. Логично в штатном режиме это делать обычной водой в цикле Ренкина с вполне обычными для таких температур 30-35% КПД.

Выгоды?
- повышение КПД и маневренности (АМТЕС куда быстрее меняет мощность),
- снижение установленой мощности паровых установок (соотвественно - цены и обслуживания),
- повышение безопасности реактора за счёт возможности реактора генерировать энергию при полном отказе водяных контуров (потенциал сбросного тепла у АМТЕС позволяет эффективно отводить тепло в воздух);
- повышение безопасности и стоимости реактора за счёт снижения температуры и давления в водном контуре.

[KTN]

у того же БН-800 температура натрия в первичном контуре только 846 К.
при повышении температуре натриевого теплоносителя в БН-600/800 выше 900-950 К ожидаются проблемы с конструкционными тепловыделяющих кассет, стальные оболочки твэлов распухать начинают

Конструкционные материалы (освоенные сорта нержавеющей стали) препятствуют дальнейшему повышению температуры натрия. Не исключено, что в принципе необходимые оболочки ТВЭЛов можно сделать. Материаловедческие исследования новых сортов сталей, проводимые в мишенях протонных ускорителей, направлены именно на эту задачу.
Общая закономерность по-видимому для любого жидкометаллического теплоносителя связана с тем, что в районе температуры плавления давление насыщенных паров околонулевое. От температуры оно зависит экспоненциально и с некоторой температуры достигает заметных величин. Для натрия:
(Температура, K) / (Плотность пара, грамм/м3)
600К /0,0268 г/м3
700К /0,433 г/м3
800К /3,42 г/м3
900К /16,8 г/м3
1000К /59,6 г/м3
1100К /166 г/м3
1200К /391 г/м3
1300К /784 г/м3
1400К /1439 г/м3
1500К /2397 г/м3
Для БН-600 рабочая точка 800 К, процесс массопереноса по первому контуру в значительной мере связан с паровой фазой теплоносителя. Сталь оболочек ТВЭЛов должна быть жаропрочной: для обычных сортов "температура полного отпуска" находится не очень высоко. К тому же температура плавления малолегированного металлического урана 1130 цельсия (повышение КВ актуальнее подъёма термодинамического КПД).

Когда (и если) будут найдены термостойкие материалы для оболочек ТВЭЛов высокотемпературных БН, химически нейтральные к натрию и литию, в проектах станет возможно рассматривать их по аналогии с легководными. И в кипящем варианте, и с высоким давлением в корпусе.
Критическая точка натрия (2503 К, 256 Атм, плотность 207 кг/м3) по температуре гораздо удобнее расположена чем у воды (647 К, 221 Атм, 318 кг/м3).

Сообщение отредактировал KTN - 27.9.2013, 22:25

[VBVB]

Тепло от АМТЕС нужно отводить. Логично в штатном режиме это делать обычной водой в цикле Ренкина с вполне обычными для таких температур 30-35% КПД.

Спасибо за пояснение.
Хорошо, допустим тогда имеем на выходе из БНа температуру натрия под 850K, далее натрий в АМТЕС-модуль идет в работу по получению электроэнергии с охлаждением до уровня 550-600K и греет вторичный водяной теплоноситель на внешних стенках АМТЕС-модуля. Далее этот пар идет на турбину с возможным кпд под 32-33%.
Тогда вопрос, какой вклад в кпд всей ЯЭУ даст АМТЕС-модуль, при том что разница температур натрия на входе и выходе из него будет около 250-300 К?
http://www.mpoweruk.com/amtec.htm
Если судить по тому что есть в и-нете, по идеальной эффективности Карно-цикла это около 35%, а в реале судя по текущим практическим результатам будет меньше в два-три раза. Т.е. от АМТЕС-модуля ожидаем кпд преобразования 12-17% от тепла выделяемого во всей ЯЭУ. Весомая прибавка, однако.
Только вопрос возникает, а каков срок службы АМТЕС-преобразователей? Сколько топливных кампаний БНа он переживет?
Далее, при использовании АМТЕС-модуля, ожидаемы проблемы с чистотой натриевого теплоносителя. Поскольку так или иначе будет происходить деградация (химическая и механическая) алюминатной матрицы термоэлектрического модуля АМТЕС. Придется натрий постоянно доочищать от алюмината захваченного. Это определенные сложности технического и организационного характера может вызывать.
Однако, идея применения АМТЕС-преобразования для БНов очень интересная. Кажется, однако, что масштабной БН-основанной перспективной ядерной энергетики адаптация АМТЕС-технологии для практического применения будет долго идти. Скорее можно ожидать ее применения на специализированных БНах-выжигателях, где паротурбинное хозяйство можно при использовании АМТЕС-преобразования вообще устранить.

Сообщение отредактировал VBVB - 28.9.2013, 0:28