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.

[nuc]

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

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.

Сообщение отредактировал nuc - 28.10.2021, 21:33

[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)

[AtomInfo.Ru]

А вообще, для чего нужен киловаттный реактор?

(кликабельно)

[AtomInfo.Ru]

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

[Татарин]

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.

[armadillo]

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

[Татарин]

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

Энергозапас выше. А эффективный энергозапас - ещё выше.

[alex_bykov]

Энергозапас выше. А эффективный энергозапас - ещё выше.

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

[Татарин]

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

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).

[alex_bykov]

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).

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.

[nuc]

Энергозапас выше. А эффективный энергозапас - ещё выше.

Ради мощности "в один утюг" создавать реактор?

[nuc]

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.

Вот +

[Татарин]

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.

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...

[alex_bykov]

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.

[Superwad]

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.