Была тема "АЭС на резинке", нужно бы туда, но не нашёл...

Идея очень проста: берём ТВЭЛ, внутри которого - тепловая гравитационная натриевая труба. Ну, налит внутрь натрий+калий, при нагреве сплав кипит, пар летит наверх в хвостовик, хвостовик вставлен в нормальный телообменник второго контура (с тем же натрием). Дальше - парогенератор и всё такое, совершенно обычное.

Смысл?
1. Выносим из зоны бОльшую часть (до 90%) теплоносителя с малой массой - получаем лучший КВ, сравнимый со свинцом и даже лучше. Но на отработанном натрии.
2. Выносим за скобки бОльшую часть проблем при сложных и тяжёлых авариях - ну НЕТ в системе много радиоактивного натрия, и даже тот, что есть, - и тот разложен по индивидуальным "коробочкам", разгерметизировать нужно каждую.
3. Улучшаем теплообмен в первом контуре (теплообмен со сменой фазы, причём внутри ТВЭЛа поверхность теплообмена с топливом можно сделать куда более развитой, чем снаружи).
4. ТВЭЛ работает пару лет максимум, частично решаем вопросы коррозии при работе на более высоких температурах внутри реактора.
5. Решаем проблемы с обслуживанием. В нормальном состоянии радиоактивный натрий - в топливе (куда и так не сунуться), а больше - нигде. Совсем нигде. Всё за пределами реактора - абсолютно чистое, как слеза ребёнка.

http://forum.atominfo.ru/index.php?showtopic=588

Если без кипения (т.е. просто поместить трубку с жидким теплоносителем внутрь уранового твэла квадратной (?) формы), то первый вопрос будет об объёмных долях топлива и теплоносителя.

Если же добавить кипение... По кипению натрия явно не всё понятно, т.к. разговоры о новых нировских экспериментах с его кипением идут постоянно.

Без кипения - никакого смысла: не удастся сократить объём натрия в зоне.
Смысл именно в кипении. 4МДж/кг, против 1.5кДж/кг*К обычной теплоёмкости. Переместить 1кг натрия при испарении против почти 100кг в жидком виде с перепадом 30С.
В 100 раз - это много.

Плюс 100% ЕЦ в первом контуре (убираем расход на насос(ы) в первом контуре - +3-5% к нетто-КПД "топливо-розетка".

Но главное - совершенно иной уровень безопасности.

Котлы с кипящим натрием. Средневековье какое-то

Посмотрим на пальцах эффекты для нейтроники.

Т.к. на пальцах, то я сделал простейшую ячейку - два вложенных цилиндра, в первой зоне уран-235, во второй натрий.
Потом поменял местами уран и натрий с сохранением отношения площадей.



Имеем:


Иными словами, от перемены мест слагаемых в данном модельном примере физика не пострадала, коэффициент размножения остался примерно таким же.

Теперь во втором случае вскипятим натрий (уменьшим его концентрацию в 10 раз).
Имеем:


То есть, имеем прыжок в реактивности больше чем на десятку долларов.
Соотв., мне в моём модельном примере придётся потребовать очень чётко выдерживать общую картину кипения по высоте, иначе не могу гарантировать возникновения локальных пережогов, а то и более серьёзных неприятностей.
И это сразу создаёт большую проблему.

Вообще, чтобы я посоветовал сначала сделать - порыться в американских патентах в интернете.
В США патентовались "на всякий случай" многие вещи, которые обсуждались в отрасли даже на уровне общего трёпа.
Теперь это всё или почти всё доступно в интернете.
Если найдётся какой-либо аналог, можно посмотреть на него и от него оттолкнуться в обсуждении.

Может название темы сделать менее кричащим, а то корпорацея ещё обидится.

На обиженных воду возят. И вообще, надо было думать, как назваться, прежде чем называться.

Но ладно, переименовал (было "ТВЭЛ", стало "твэл"), чтобы не сбивать посетителей с толку.

Теперь от высокой науки к вещам прозаическим.

Допустим, твэл-навыворот круглый (трубка с натрием внутри, пространство внутри второй кольцевой зоны заполнено топливом).
Сразу встаёт вопрос - а что, какой материал будет между твэлами?
Натрий (или его сплав)? Нет, потому что теряется одно из заявленных преимуществ (натрий в зоне упакован в трубки внутри твэлов).

Тогда, допустим, твэл-навыворот квадратный.
Это проще, хотя вопрос о заполнении межтвэльного пространства остаётся, пусть и не в такой острой форме - технологические зазоры между твэлами лучше иметь. Пусть в зазорах будет инертный газ (о-о-о, какая сложная будет газовая система в таком реакторе!).

Но возникает следующий вопрос.
Мы должны иметь две оболочки - внутреннюю, отделяющую топливо (и осколки деления!) от натрия, и внешнюю, формирующую твэл геометрически (в конце концов, чтобы не тереть ураном об уран при заталкивании с усилием твэлов с их допусками по геометрии в активную зону).
Но для нейтроники это грозит увеличением доли конструкционных материалов (поглотителей и замедлителей!) в активной зоне с ростом паразитного захвата нейтронов и некоторым смягчением спектра нейтронов.

Одинаковое количество натрия по высоте гарантировать нельзя - и это беда по нейтронике, наверное.

Но вот с теплом как раз всё на 100% однозначно и без вариантов вообще: давление по ТВЭЛу одинаковое, значит, натрий кипит при одной и той же температуре по всему ТВЭЛу. До тех пор, пока топливо вообще хоть как-то смачивается натрием, вне зависимости от энерговыделения температура равна температуре его кипения, ни на полградуса ниже, ни на полградуса выше. А с повышением местной температуры повышается давление опять по всему ТВЭЛу и ухудшается теплоотвод в других частях ТВЭЛ в пользу отвода от конкретного участка.

Не записать ли это 6-м пунктом?

___
По американским патентам искать сложно - для этого нужна очень серьёзная мотивация и деньги (гугл тут помошник слабый, нужны коммерческие базы с классификатором). Короче, нужна вера в личный коммерческий выхлоп с такого поиска, которой, ессно, нет никакой.

Нет, идея была такая, что мы сохраняем одну оболочку (круглую) - внешнюю, она же и держит давление. Внутри неё - керамическое топливо (возможно, с тонким покрытием) купается в натрии. Внутренний натрий заведомо грязный, как и все нутрёшки ТВЭЛа, но зато имеет доступ к большой поверхности топлива (в противовес поверхности ТВЭЛа в традиционном варианте).

А снаружи ТВЭЛов, в корпусе реактора у нас нейтральный газ - гелий, скажем. Или азот.

Да, с одной стороны жадность как бы говорит нам - смотрите: у вас там пустота в АЗ быстрого реактора, не дураки ли вы? С другой - по "классике" у нас там вообще натрий, и он занимает бОльшее пространство. В классике гидродинамика не позволяет трамбовать ТВЭЛы кучно, с мелкими щелями между ними, нам же нужно гнать натрий через АЗ очень много и быстро, иначе пережжём. А в инверсном варианте, когда натрий внутри и кипит, в сечении получается плотная упаковка кругов на плоскости.
Поэтому на жабу можно положить болт: да, пустот не так мало, как хотелось бы, но зато - их меньше, чем было, и теперь это именно пустоты, а не лёгкий натрий, который замедляет и жрёт нейтроны.

Количественно же плотность газа (в штуках ядер на куб) отличается от плотности натрия на 3 порядка.

...

Кстати говоря: центральное отверстие под распухание топлива и выход ГПД в такой схеме функционально - по нему идёт пар вверх, жидкость вниз. Как следствие, мы сокращаем ещё больше бесполезного пространства в АЗ и получаем выгоду в плотности зоны даже бОльшую, чем от перехода с оксидов на нитриды или даже на чистый металл. Со всеми вытекающими для нейтроники, опять же.

...

Я понял, как это называется. Это канальный натриевый быстрый реактор. С 100% герметичными и автономными каналами, которые заменяются вместе с топливом.

Котлы с радиоактивным кипящим натрием. Модернизация. 20-й век.

Минус один барьер.
Фактически, это называется "прямой контакт".
Осколки идут в натрий бодрыми колоннами.
Парогенератор/теплообменник будет ухрюкан в зюзю
Все трубы 1к вне активной высоты топлива также будут сильно грязными.

P.S. Идея стравливать осколки из твэла в натрий была в своё время и для обычного БН, но, как писал в научных мемуарах Казачковский, в конечном итоге побоялись так поступать.

Кроме того, взаимодействие "топливо-сплав натрия (жидкий или кипящий" может быть нетривиальным.
Не унесёт ли всё топливо в итоге куда-нибудь в какое-нибудь колено первого контура?

Всё-таки, от внутренней оболочки никуда не деться, КМК.

Сама мысль о кристаллизации топлива в трубках теплообменника внушает ужас.

Одинаковое и не должно быть в этом случае.
Кипение ведь предполагается непосредственно в пределах активной высоты твэла?
Иначе, если кипятить натрий до входа в топливный участок, то пропадает весь смысл.

Другое дело, что, установив некое распределение содержания паров натрия по высоте (а для нейтроники это можно с некоторой точностью сымитировать просто распределением плотности натрия по высоте), нам придётся прилагать много усилий для того, чтобы это распределение во время работы не сильно сдвигалось в любую сторону.
И отдельно проработать вопросы транзиентов (изменение мощности, пуск и т.д.).
В этом случае мы будем упираться в возможности цирк.оборудования первого контура (неважно, что именно будет использоваться, какие насосы и т.д.), точнее, возможностей стабильной его работы без отклонений.

С точки зрения нейтроники, появление кипения натрия или его сплавов в активной зоне неприятно тем, что натрий как относительно лёгкий элемент с ненулевым поглощением оказывает на исходный спектр нейтронов (спектр нейтронов деления) влияние, которым невозможно пренебречь.
Соотв., удаление/появление натрия в каких-то объёмах активной зоны будет заметно влиять на нейтронно-физические параметры.
В конце концов, есть же НПЭР.

А вот нейтральный теплоноситель, с точки зрения нейтроники (сейчас говорим только о ней!), можно кипятить без проблем.

Такого теплоносителя, естественно, нет.
Ближе всего к нему стоит, наверно, свинец (особенно если выбрать конкретные его изотопы).
Захват мал, упругое рассеяние мало из-за большого атомного веса.
Но и он оказывает на спектр нейтронов влияние - реакция неупругого рассеяния (та самая реакция, из-за которой в куске урана-238 цепная реакция не возникает).

Застревает же уран (в т.ч. обогащённый) в узлах и т.п. технологических линий разделительных производств.
Это называется "холдап".
И в общем-то ничего, пока все живы

Нет, в теплообменнике вряд ли приключится нечто ужасное.
Но он просто будет жутко грязный.

Его прокачивать придётся всенепременно, ибо будет греться. А также собирать в себя осколки-газы, выходящие через внешнюю оболочку (через дефекты в ней).

То есть, в дополнение к обычному первому контуру у нас появляется "второй первый" контур со своим оборудованием.

Сама идея работы на фазовом переходе - это хорошо, но ещё лучше "осциллирующий термосифон", это когда с паром переносится и теплоноситель, т.е. пар ещё и теплоноситель движет.

P.S. Прямой контакт топлива с кипящим натриевым теплоносителем - точно бред, тогда уж сразу онлайн репроцессинг в твеле организовывать

Второй первый контур должен быть водородным и, желательно, тритиевым

Ерунда все это.
Тему переименовать
"Зачем думать, что деды и бабки были глупей".

Зачем усложнять?
Сотню твелов сложней обслуживать.
Зачем нужен натриевый реактор большой металлический круглый?
Понятно, что предыдущие рбмк- следствие военных технологий и импотеции промышленности-, но сейчас то зачем?

А как дела с материалами, работающими в кипящем натрии?
Мысль сделать кипящий первый контур заманчива, и, если чуть дальше подумать, то кипящий первый контур с естественной циркуляцией...
Но противоречие - много жидкого натрия - малая реактивность - малое энерговыделение, мало натрия - повышенное энерговыделение навевает нехорошие мысли.

Наверное, я неясно объяснил идею. ТВЭЛ - автономен и полностью герметичен. Каждый ТВЭЛ содержит топливо (запредельно грязное само по себе), только теперь - ещё и натрий, который выносит с изменением фазы тепло из активной зоны в хвостовик ТВЭЛа. С хвостовика-теплообменника и снимается тепло вторым контуром.
"Все трубы 1к" сводятся к ТВЭЛу (который и без того так светится, что можно лампочки выключать).

Да, убирается один барьер. Но натрий первого контура сидит только внутри и без того грязного ТВЭЛа. Просто раньше он был радиоактивен только из-за активации нейтронами, а сейчас - ещё и загрязнён ПД. Но вот натрий второго контура уже - вне реактора, и до тех пор, пока хвостовик ТВЭЛа герметичен, этот натрий чист. То есть, раньше у нас теплоносителю приходилось забираться туда, где летают нейтроны и становиться грязным, а потом вылезать по трубам первого контура с насосом в "чистый мир". Теперь у нас грязный теплоноситель (он в любом случае грязный, и тепрь он просто грязнее) сидит только в ТВЭЛе.

Ну а парогенератор - так тот и вовсе стоИт уже за чистым натрием второго контура.

...

В принципе, можно барьер и не убирать, а добавить - топливные таблетки покрывать герметичным металлом, а можно и внутреннюю трубу. Да, это добавляет материал в АЗ. Но этот материал с бОльшей массой, чем у натрия, и оболочек таблеток нужно меньше, чем теплоносителя. Тогда приходим (в смысле количества барьеров и количества грязи вне таблеток) к той же самой ситуации, что и сейчас.

Натрий 1к тогда активен только из-за активации нейтронами и производственного брака - разгерметизации. И менее активен, чем сейчас: в нём копятся ПД не за всё время эксплуатации реактора, а только за время эксплуатации ТВЭЛа. И производственный брак загадит лишь натрий в одном ТВЭЛе, после чего остаётся ещё один независимый барьер.

То есть, смотрите: сейчас, чтобы загадить второй контур, нужен брак любого ТВЭЛа из сотен + брак любой из трубок теплобменника 1к/2к.
В мире с "вывернутыми" ТВЭЛами нужно, чтобы именно этот ТВЭЛ с разгерметизацией барьера в АЗ имел бы брак ещё и хвостовика, где идёт теплобмен с 2к.
То есть,
- вероятность грязи в количество-ТВЭЛов раз меньше, чем по "классике";
- испорченый, текущий теплообменник меняется штатно в процессе смены топлива как рутинная процедура. Без привлечения ремонтного персонала и шаманов с дозиметрами, камлающих над дозовой нагрузкой.

Что, наверное, тоже хорошо.

С материалами всё лучше, чем в любом альтернативном варианте: они работают лишь срок службы ТВЭЛа. Им не нужны сверхвысокие с.н.а. (на срок службы реактора), что облегчает их поиск и обоснование. И можно много списывать под внутреннюю коррозию в натрии - скажем, заранее соглашаться, что коррозия в 0.3мм в год (к примеру) нам приемлима. Не сотни с.н.а., а единицы. Что уже совсем иной расклад.

Для незаменяемых материалов самого реактора нам нужны в десятки раз (рызы = срок службы реактора/срок службы ТВЭЛа) бОльшие и с.н.а., и в десятки раз больше устойчивость к коррозии.

___

По положительной обратной связи - есть такое, да, нехорошо. С маневрами будут проблемы, и вообще выше уже сказано про влияние натрия на реактивность - таки гадко выходит.

Возможно, чтобы было хорошо, нужна ртуть: она тяжелее, меньше задерживает нейтроны, легче кипит, а проблемы с коррозией решать тупо и в лоб - количеством материала. Он сменный.

А зачем?
Разница по удельной (на килограмм) теплоёмкости в сотни раз. Допустим, кило пара может поднять ещё сколько-то кило жидкости - разве это даст принципиальный выигрыш?

Но главное - не перенос, а теплообмен на поверхностях. Испарение/конденсация очень эффективны в использовании площади. Под чисто кондуктивный перенос нужны поверхности гораздо больше + всякие замороки с турбулизацией поверхностного слоя и т.п..

Угу.
Одиночный твел или даже твс-имеют пользу только, как источник тепловой энергии.
Остаточное тепло от беушного.
+ хренова туча разной радиоактивности: альфа бета гамма.
Сам по себе твел.и сборка не заработают.
Разве не так?

Развитие технологий идёт не по прямой, а по спирали.

Посмотрели вариант => нашли перспективным => но прямо сейчас есть блокирующие сложности или есть более практичный и быстрей реализуемый вариант => отложили наш вариант до следующей итерации.

Хороший пример - торий. Уж сколько раз к нему возвращаются, подступаются, да никак подступиться не могут.
Хотя, в конце концов, торий когда-нибудь в промышленных масштабах в энергетику втянут.

P.S. Собственно, в том числе и поэтому, из-за спирали, всегда есть смысл для любой идеи в нашей отрасли, кажущейся новой, сначала поискать аналоги в прошлых предложениях.
Вполне возможно, что идею уже выдвигали ранее и отложили потому-то и потому-то.

Смысл в том, что граммы пара, перемещают десятки грамм теплоносителя, перенося заметно больше тепла от источника к потребителю, особенно это заметно с учётом ограниченности поперечного сечения трубопровода. Да и собственно, снижение дельты "горячий-холодный концы" - это рост КПД, не говоря уже о безопасности.

Представляю бассейн выдержки, заполненный этими натрий-ядерными бомбами с неизвестным состоянием внешних оболочек

Твэл-навыворот не герметичен, в том смысле, что натрий через него прокачивается (и по дороге ещё и закипает внутри твэла). То есть, вход-выход какой-то у него есть.
Поэтому в бассейне "реакторного" натрия в нём не будет.

А вот внутренняя оболочка всё-таки нужна.
Чёрт с ним, с реактором, но не хватало ещё, чтобы в бассейне топливо, побывавшее в контакте с горячим натрием и его парами, начало тихо осыпаться.

Настолько глубоко-то не надо копать. Чай, не корову покупаем

С твэлами-навыворот пока ничего не нашёл.

А вот на канальный БН есть, оказывается, отечественный патент.
http://www.findpatent.ru/patent/208/2088981.html

Правда, там нет кипения и твэлы не навыворот. Но конструкция канальная.
Можно, например, для начала по ней проехаться, обсудить.
А потом добавлять к ней по очереди кипение и "вывернутый" твэл.

Насколько я понял Татарина, его идея как раз заключается в том, что ТВЭЛ герметичен. Мы просто снимаем тепло с его верхнего концевика, а внутри всё совершенно пассивно и самодостаточно. Натрий кипит, конденсируется сверху, стекает обратно вниз. Никакого расхода, никаких насосов.

Вот я так же понял. А если он просто течет, так он и сейчас течет. Напорная камера, ГЦН. И всё работает!

О! Тогда уважаемый автор, объясните, пожалуйста - натрий прокачивается через каналы или он неизменным объёмом сидит внутри канала и за его пределы не выходит?
А то я, похоже, запутался.

Да, но как именно?
Насколько я понимаю идею Татарина (правда, как выясняется, может я её не так понял), натрий проходит сквозь активную зону внутри топливных стержней. Канальный концепт, но не совсем обычный.
И к этому добавляется ещё и возникновение кипения натрия в активной зоне.

А, вот как! Это, значит, я не обратил внимания, потому как ориентировался на начальные условия темы:

Тут всё-таки первый контур есть, хоть и укороченный.

Ну это сильно инновационно.
1) канальный реактор
2) кипение в активной зоне
3) теплоноситель внутри твэла
4) каждый канал (твэл) есть маленький первый контур

Предлагаю всё-таки прибегнуть к анализу (и только потом к синтезу).
Для начала, например, высказаться за или против канальной компоновки БН - опираясь, например, на вариант из патента по ссылке выше по ветке.

Вообще, у меня крепнет подозрение, что Первая АЭС после первой её кампании могла быть переделана на вариант, близкий к описанному (исходный вариант Первой АЭС был с проблемами и стоял вопрос о возможной переделке станции - в том числе, на натриевый теплоноситель; а с учётом тогдашнего интереса к ядерному перегреву...).
Только, небось, даже в архивах подробностей не сохранилось - вряд ли натриевый вариант Первой АЭС был серьёзно проработан, скорее, он был выдвинут просто как идея, набросок на промокашке.

Идея в том, что первый контур пассивный и полностью заменяемый при перегрузке топлива. Что в теории должно дать выигрыш по конструкционным материалам.
Кроме того, между ГЦН и топливом возникает ещё один барьер.

Другое дело, что нейтронные эффекты, вызываемые кипением натрия, противоположны тому, что нужно для хорошего управления реактором.

Никакое "навыворот" не нужно, оболочки ТВЭЛов должны иметь минимальные толщину-объём.
Сборка - герметична или по крайней мере герметизируема, компенсаторы давления ещё не хватало в неё встраивать. Сборка содержит с завода натрий и у неё то ли родной, с завода теплообменник, то ли он герметично (!) пристыковывается на манер РБМК. Сборка - это фактически и есть первый контур. Хотелось бы все сборки иметь одинаковые, для возможности перестановок, но теплообменники довольно габаритны.
Перестановка сборок на мощности невозможна.

Теплообменники не "габаритны". Посмотрите на это с такой стороны: ТВС в реакторе и есть теплообменник, через её поверхность прокачивается всё тепло. Только "по классике" это происходит внутри реактора, поэтому теплоноситель так или иначе радиоактивный. А тут мы поверхности теплообмена с помощью "внутреннего теплоносителя" ТВЭЛа вынесли из реактора наружу - в теплообменник. Откуда там возьмутся бОльшие габариты-то? Тем более, что вне реактора мы можем позволить себе иметь на хвостовике ТВЭЛа более развитую поверхность, чем внутри реактора на ТВЭЛе: вне реактора у нас нет ограничения ни на плотность упаковки зоны, ни на количество конструкционных материалов.

Перестановки на мощности возможны и желательны.

Они в РБМК были хороши, а в быстром реакторе с интенсивной наработкой делящихся материалов на периферии - сам бог велел. Так мы можем выжигать топливо лучше всего, поддерживать оптимальный запас реактивности зоны за счёт наработки нового топлива, ну и получать максимальный КИУМ.

Да.
Да, с нейтронами получается нехорошо.

Да, идея в том, что натрий сидит в канале-тепловой трубке герметично и качает себя сам - кипением.
Все гадости, которые в нём накопятся, должны в нём и остаться, замена ТВЭЛа - замена теплоносителя. Любой дефект негерметичности "топливо-натрий" или теплообменника на хвостовике лечатся заменой ТВЭЛа.
Никакая авария не может привести к массивному выделению радиоактивного натрия - потому что он распихан по индивидуальным микро-контурам (это помимо того, что натрия первого контура на 1-2 порядка меньше в зоне и на 2-3 порядка меньше в реакторе в целом, пути радиоактивного натрия ограничены нутрёшками ТВЭЛа).

Идея в том, что все долговременно работающие конструкции - вне корпуса реактора с его нейтронами и наоборот: там где нейтроны - минимум долговременных конструкций. Снижаем требования к материалам - растём в параметрах.
Уменьшить количество активного и запихнуть активное по максимуму в реактор.
Свести к нулю активное оборудование, имеющее дело с грязным материалом и/или нейтронами.

...
Интегральная компоновка на стероидах.

Как-то нужно уметь вынимать ТВЭЛ не отключая теплообменник.

А вот теплообменник и можно сделать отдельно (поТВСно) отключаемым каналом.

Если отключить теплообменник, то разве весь натрий сразу не вскипит в ТВЭЛе?