Acasă Calculatoare Centrală nucleară pentru rachete și vehicule subacvatice - cum funcționează. Centrală nucleară Principiul centralei nucleare

Centrală nucleară pentru rachete și vehicule subacvatice - cum funcționează. Centrală nucleară Principiul centralei nucleare

LA centrală electrică navele cu propulsie nucleară includ un reactor, un generator de abur și o unitate de turbină care antrenează sistemul de propulsie al navei. Un reactor este o instalație pentru producerea reacțiilor nucleare în lanț, în timpul cărora este generată energie care este ulterior transformată în energie mecanică. Principiul de funcționare reactor nuclear prezentat în figura 8.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear

Se știe că energia eliberată la utilizarea a 1 kg de uraniu este aproximativ egală cu energia obținută din arderea a 1500 de tone de păcură. Inima unei instalații nucleare este reactorul: în el are loc o reacție nucleară controlată, care are ca rezultat formarea de căldură, care este îndepărtată folosind un lichid de răcire - apă. Apa de răcire radioactivă este pompată într-un generator de abur, unde, datorită căldurii sale, se formează abur din apă neradioactivă. Aburul este direcționat către discuri de turbină, care antrenează turbogeneratoarele alimentate de motoare electrice de propulsie, care rotesc elicele. Aburul evacuat este trimis la condensator, unde este transformat înapoi în apă și pompat în generatorul de abur. Principiul de funcționare al unei centrale nucleare este prezentat în Figura 9.

schema unei centrale nucleare cu un reactor răcit cu apă sub presiune

Se acordă multă atenție funcționării în siguranță a unei instalații nucleare, deoarece oamenii de pe navă sunt într-o oarecare măsură expuși pericolului radiațiilor radioactive, prin urmare reactorul nuclear este izolat de mediu printr-un ecran de protecție care nu permite razele radioactive dăunătoare. a trece prin. De obicei se folosesc ecrane duble. Scutul primar înconjoară reactorul și este realizat din plăci de plumb acoperite cu polietilenă și beton. Ecranul secundar înconjoară generatorul de abur și înglobează întregul circuit primar de înaltă presiune. Acest ecran este realizat în principal din beton cu o grosime de 500 mm până la 1095 mm, precum și plăci de plumb cu o grosime de 200 mm și polietilenă cu o grosime de 100 mm. Ambele ecrane necesită mult spațiu și sunt foarte grele. Prezența unor astfel de ecrane este un mare dezavantaj al centralelor nucleare. Amplasarea unei centrale nucleare pe o navă este prezentată în Figura 10. Un alt dezavantaj, și mai semnificativ, este, în ciuda tuturor măsurilor de protecție, pericolul de contaminare a mediului atât în timpul funcționării normale a centralei din cauza deșeurilor de uzat. combustibil, eliberarea apei de santină din compartimentul reactorului etc. etc. și în timpul accidentelor accidentale de nave și nucleare centrală electrică.

centrală nucleară pe o navă

Instalatii de energie alternativa

principiul de funcționare al motorului Stirling

Chiar înainte de al Doilea Război Mondial, constructorii de nave au încercat să creeze pentru submarine un fel de alternativă la o centrală electrică diesel-electrică - așa-numitul motor unic pentru propulsie de suprafață și subacvatică. Din diverse motive, la acea vreme toate aceste încercări nu părăseau stadiul experimental, dar deja în anii 1960 s-au reîntors. Acest lucru a fost cauzat de mai multe motive. În primul rând, Marea Baltică a fost declarată zonă fără energie nucleară, ceea ce înseamnă că țările baltice nu au nave cu centrale nucleare. În al doilea rând, din motive politice de genul nave de război Germania și Japonia nu pot fi în serviciu. În al treilea rând, construcția și întreținerea submarinelor nucleare sunt inaccesibile pentru multe țări. Cea mai productivă muncă privind crearea unui singur motor nenuclear a fost în Suedia, Țările de Jos, Marea Britanie și Germania.

Dar, în același timp, pentru unele tipuri de nave, motorul electric este singurul acceptabil. Este vorba despre nave cu modificări frecvente ale condițiilor de încărcare ale sistemului de propulsie, nave care necesită calități de manevră sporite, funcționând timp îndelungat cu putere redusă. Astfel de nave sunt spărgătoare de gheață, remorchere, feriboturi, nave de vânătoare de balene, drage și altele.

Motorul Sterling este un motor cu piston termic cu o sursă externă de căldură, într-un volum închis din care circulă căldură de lucru constantă (gaz), încălzit dintr-o sursă de căldură externă și efectuând lucrări utile datorită expansiunii sale. Principiul de funcționare al motorului Stirling este prezentat în Figura 11.

Spre deosebire de un motor cu ardere internă, motorul Sterling are două cavități în cilindru care variază ca volum - cald și rece. Fluidul de lucru este comprimat în cavitatea rece și intră în cea fierbinte, apoi după încălzire gazul se mișcă în sens opus și intră în cavitatea rece, unde, extinzându-se, produce muncă utilă. Această mișcare bidirecțională a gazului este asigurată de prezența a două pistoane în fiecare cilindru: un piston deplasator care reglează fluxul de gaz și un piston de lucru care efectuează lucrări utile. Volumul cavității fierbinți și al părții superioare a cilindrului este reglat de pistonul deplasator, iar volumul cavității reci situate între ambele pistoane este controlat de mișcarea articulației acestora. Ambele pistoane sunt conectate mecanic și efectuează o mișcare coordonată asigurată de un mecanism special care înlocuiește simultan mecanismul manivelei.

În timpul funcționării motorului se pot distinge patru poziții secvențiale principale ale pistoanelor, care determină ciclul de funcționare a motorului: a) - pistonul de lucru este în poziția cea mai de jos, pistonul deplasator este în poziția cea mai înaltă. În acest caz, cea mai mare parte a gazului se află între ele în spațiul rece (răcire); b) - pistonul deplasator este în poziția superioară, iar pistonul de lucru se deplasează în sus, comprimând gazul rece (compresie); c) - pistonul deplasator se deplasează în jos, apropiindu-se de pistonul de lucru și deplasând gaz în cavitatea fierbinte (încălzire); d) - gazul fierbinte se dilată, efectuând o muncă utilă acționând asupra pistonului de lucru (expansiune). De-a lungul traseului gazului este instalat un regenerator, care ia o parte din căldură atunci când gazul fierbinte trece prin el și o eliberează atunci când se mișcă după răcire și comprimare în direcția opusă.

Prezența unui regenerator permite teoretic creșterea eficienței Motor Stirling până la 70 la sută. Controlul puterii motorului se realizează prin modificarea cantității de gaz. Ca căldură de lucru sunt utilizate gaze cu proprietăți termice ridicate (hidrogen, heliu, aer etc.).

Motoarele Stirling au următoarele caracteristici unice: - capacitatea de a utiliza orice sursă de căldură (combustibil lichid, solid, gazos și nuclear, energie solară etc.); - lucrați într-un interval larg de temperatură cu o mică diferență de presiune între compresie și dilatare; - reglarea puterii prin modificarea cantității de căldură de lucru din ciclu la temperaturi constante ale gazului cel mai ridicat și cel mai scăzut;

Aceste caracteristici oferă Motor sterling față de alte instalații, următoarele avantaje, cum ar fi multicombustibil și toxicitatea scăzută a produselor de ardere a combustibilului; zgomot redus și echilibru bun; eficiență ridicată la moduri de putere redusă. Datorită acestor avantaje, submarinerii suedezi au acordat atenție motorului, transformând ideea în realitate pe un submarin modern al " Gotland" Dar, în timp ce motoarele Stirling sunt comparabile ca eficiență cu motoarele diesel moderne, ele sunt inferioare lor ca putere. Prin urmare, ele pot fi folosite doar pe submarine ca motoare suplimentare la sistemul clasic de propulsie diesel-electric.

Centrală nucleară - o centrală electrică care funcționează pe energia unei reacții în lanț de fisiune nucleară. Centrala nucleară, care este practic o modificare a turbinei cu abur, a început să fie folosită pe nave la sfârșitul anilor 50. secolul XX Centrala electrică a unei nave cu propulsie nucleară include un reactor, un generator de abur și o unitate de turbină care antrenează sistemul de propulsie al navei. Un reactor este o instalație pentru producerea reacțiilor nucleare în lanț, în timpul cărora este generată energie care este ulterior transformată în energie mecanică. Într-un reactor nuclear, sunt create condiții astfel încât numărul de fisiuni nucleare pe unitatea de timp să fie o valoare constantă, adică reacția în lanț are loc constant.

Proiectarea și principiul de funcționare a unui reactor nuclear.

1 - corp din otel; 2 - moderator; 3 - reflector; 4 - protectie; 5 - elemente de combustibil; 6 - admisie lichid de răcire; 7 - evacuare lichid de răcire; 8 - tije de control.

Combustibilul nuclear conține material fisionabil, de obicei uraniu sau plutoniu. Când nucleele atomice se divid în așa-numitele fragmente sau neutroni liberi de înaltă energie, se eliberează multă energie. Pentru a reduce energia mare a neutronilor, se folosește un moderator: grafit, beriliu sau apă. Pentru a minimiza posibilitatea pierderii de neutroni, este instalat un reflector. Constă în principal din beriliu sau grafit. Pentru a evita un flux de neutroni prea puternic în reactor, tijele de control din materiale absorbante de neutroni (cadmiu, bor, indiu) sunt instalate la o adâncime adecvată. Schimbul de energie în reactor are loc cu ajutorul lichidelor de răcire, a apei, a lichidelor organice, a aliajelor de metale cu punct de topire scăzut etc. În prezent, reactoarele răcite cu apă sub presiune sunt de obicei folosite pe nave.

Schema unei centrale nucleare cu un reactor răcit cu apă sub presiune.

1 - reactor; 2 - protectie biologica primara; 3 - protectie biologica secundara; 4 - generator de abur; 5 - serpentina de incalzire a circuitului primar; 6 - pompa de circulatie circuit primar; 7 - turbină de înaltă presiune; 8 - turbina de joasa presiune; 9 - cutie de viteze; 10 - condensator; 11 - pompa circuit secundar; 12 - intrarea apei de mare; 13 - ieșire de apă de mare.

Această instalație are două circuite de circulație. Primul circuit este circulația apei sub presiune ridicată. Apa din circuitul primar servește și ca agent de răcire pentru reactorul nuclear și are o presiune de aproximativ 5,8 până la 9,8 MPa. Acesta curge prin reactor și este încălzit, de exemplu, pe navele Otto Hahn (Germania) și Mutsu (Japonia), la 278 ° C. În acest caz, presiunea apei contracarează evaporarea. Apa calda din circuitul primar, care curge prin serpentina de incalzire, isi ceda caldura catre generatorul de abur, apoi revine din nou in reactor. Condensul este furnizat generatorului de abur din al doilea circuit de joasă presiune. Apa încălzită în generatorul de abur se evaporă. Acest abur cu presiune relativ scăzută (de exemplu, pe nava americană Savannah este de 3,14 MPa) servește la alimentarea turbinelor, care antrenează elicea printr-o cutie de viteze.

Reactorul nuclear este izolat de mediu printr-un scut de protecție care nu permite trecerea razelor radioactive dăunătoare. De obicei se folosesc ecrane duble. Primul ecran (primar) înconjoară reactorul și este realizat din plăci de plumb acoperite cu polietilenă și beton. Ecranul secundar înconjoară generatorul de abur și înglobează întregul circuit primar de înaltă presiune. Acest ecran este realizat în principal din beton cu o grosime de 500 mm (Otto Hahn) până la 1095 mm (Mutsu), precum și plăci de plumb cu o grosime de 200 mm și polietilenă cu o grosime de 100 mm. Ambele ecrane necesită mult spațiu și sunt foarte grele. De exemplu, ecranul primar de pe nava Savannah cântărește 665 de tone, iar cel secundar cântărește 2400 de tone.Prezența unor astfel de ecrane este un mare dezavantaj al centralelor nucleare. Un alt dezavantaj, și mai semnificativ, este, în ciuda tuturor măsurilor de protecție, pericolul contaminării mediului atât în timpul funcționării normale a centralei electrice din cauza risipei de combustibil uzat, a eliberării apei de santină din compartimentul reactorului etc., cât și în timpul unei nave accidentale. accidente și centrale nucleare.

Avantajele incontestabile includ un consum foarte redus de combustibil și o autonomie de croazieră aproape nelimitată. De exemplu, nava „Otto Hahn” (Germania) nu a consumat nici măcar 20 kg de uraniu în trei ani, în timp ce consumul de combustibil al unei centrale electrice convenționale cu turbină cu abur pe o navă de această dimensiune a fost de 40 de mii de tone. Gama de croazieră de nava japoneză „Mutsu” are 145 mii .mile În ciuda acestor avantaje, centralele nucleare sunt utilizate pe scară largă numai pe navele de război. Este deosebit de avantajos să le folosiți pe submarine mari, care pot rămâne mult timp sub apă, deoarece aerul nu este necesar în reactor pentru a genera energie termică. În plus, spărgătoarele puternice de gheață folosite în latitudinile nordice ale globului sunt echipate cu centrale nucleare.

1 - sala mașinilor; 2 - container cu reactor; 3 - compartimentul mecanismelor auxiliare; 4 - instalație de depozitare a barei de combustibil uzat.

În urmă cu peste douăzeci și cinci de ani, la Semipalatinsk a fost efectuată prima pornire a puterii reactorului nuclear IVG-1, cu ajutorul căreia a început dezvoltarea proiectării unui motor de rachetă nucleară. Chiar și atunci s-a presupus că un astfel de motor va fi necesar în timpul unui zbor uman către Marte. Mai târziu, dificultățile legate de finanțarea științei au încetinit activitatea, dar o expediție pe Marte planificată pentru 2017 a reînviat interesul pentru propulsia nucleară. Un motor nuclear este un reactor în care un flux de gaz - hidrogen - trece de-a lungul elementelor de combustibil care conțin combustibil nuclear. Răcește elementele, dar el însuși se încălzește și curge din duză la viteză mare, creând tracțiunea motorului. Acest lucru creează un impuls care împinge racheta înainte. Temperatura gazului la ieșire trebuie să fie foarte mare - cel puțin 3000 °C, iar forța specifică - 950 s. Doar în aceste condiții un motor nuclear este mai eficient decât un motor convențional care funcționează cu combustibil lichid.

Acum, în domeniul motoarelor de rachete nucleare, în ciuda stării de lucru pe jumătate înghețate, suntem cu 15-20 de ani înaintea Statelor Unite. Lucrările privind centralele nucleare (NPP) și sistemele de propulsie electrică (NPP) se concentrează în prezent pe formarea de baze științifice și tehnice avansate pentru crearea elementelor, componentelor și ansamblurilor unificate de bază ale centralelor nucleare (NPP).

Domeniile prioritare de cercetare care pot arăta avantajele surselor de energie nucleară față de alte opțiuni includ:

dezvoltarea tehnologiilor care să asigure crearea de centrale nucleare cu o capacitate de la zeci până la sute de kilowați (cu perspectiva creșterii în continuare a acesteia);

aducerea resursei garantate a centralelor nucleare la un nivel nu mai mic decât cel așteptat de la energia solară (inclusiv până la 10 ani sau mai mult în GSO);

dezvoltarea tehnologiilor care să asigure crearea de sisteme de propulsie electrică nucleară bimodală (funcționând atât în regimul motoarelor de rachete nucleare alimentate cu hidrogen, cât și în modul generator de energie electrică pentru a alimenta ținta și echipamentele de serviciu ale unei nave spațiale sau propulsie electrică);

confirmarea siguranței nucleare și radiologice a dezvoltării și exploatării centralelor nucleare (CNE).

Așa cum au arătat studiile efectuate de organizații interne specializate, cu puteri de 50...100 kW, pot fi preferate centralele nucleare datorită avantajelor notabile pe care le au față de centralele solare tradiționale în ceea ce privește greutatea, dimensiunea, funcționarea și funcționalitatea. indicatori economici. Mai mult, în intervalul de putere specificat, centralele nucleare termoionice de a doua generație, bazate pe dezvoltarea ulterioară a tehnologiei create în cadrul programului Topaz, un element important din care au fost testele de zbor de succes în 1987-1988, au avantaje semnificative. prima centrală nucleară termoionică din lume „Topaz-1”. Tocmai această împrejurare – utilizarea unei centrale nucleare – aduce o specificitate foarte semnificativă practicii de proiectare a navelor spațiale, deoarece diagrama de dispunere acesta din urmă devine mai dependent de caracteristicile centralei electrice decât de caracteristicile și parametrii echipamentului țintă.

Este important ca centralele nucleare să fie folosite atât ca sursă de alimentare cu energie pentru echipamentele de bord, cât și împreună cu motoarele electrice de rachete pentru a lansa o navă spațială de pe o orbită sigură la radiații pe una funcțională. Cercetări efectuate pentru identificarea domeniilor de aplicare tipuri variate energie pentru furnizarea navei spațiale indică faptul că deja de la nivelul de 300 kW cu o durată de viață a navei spațiale de mai mult de un an, utilizarea energiei nucleare pare mai preferabilă. Rezultatele studiilor teoretice arată că poate fi creată o centrală nucleară cu conversie de energie termoionică cu o putere de 7,5 MW și cu caracteristici de masă specifice de 6 kg/kW.

Centralele nucleare cu conversie a energiei cu turbomașină (TEMP) pot avea avantaje față de opțiunile termoionice și termoelectrice datorită:

masa mult mai mică a instalației reactorului cu putere electrică egală; eficiență mai mare;

fabricabilitate mai mare datorită unei temperaturi semnificativ mai scăzute a fluidului de lucru;

posibilitatea fundamentală de a testa circuitul de putere separat de reactor;

fiabilitate mai mare a TEMP datorită absenței restricțiilor privind duplicarea elementelor în afara reactorului.

Prin urmare, pare oportun să luăm în considerare conceptul de centrale nucleare cu TEMP. De remarcat, de asemenea, experiența vastă acumulată în dezvoltarea motoarelor de propulsie nucleară, prezența unui banc de testare și a specialiștilor de înaltă calificare în Rusia, precum și o mare rezervă științifică și tehnică creată în SUA în cadrul programului Nerva. La nivelul selectat de putere electrică (2 MW), proiectarea reactorului și protecția împotriva radiațiilor sunt aproape optime în ceea ce privește masele specifice, configurația și încărcarea combustibilului, iar masele specifice ale unităților TEMP sunt reduse la nivelul de 2- 4 kg/kW.

Proiectarea și analiza balistică a vehiculului de transport de putere spațială (SET) a determinat parametrii necesari de putere electrică, precum și caracteristicile sistemului de propulsie electrică a rachetei.

Principalele restricții adoptate în calcule:

greutatea instalației și dimensiunile nu trebuie să depășească capacitățile vehiculului de lansare Angara;

doza de radiație acumulată de sarcina utilă la traversarea centurilor de radiații ale Pământului nu trebuie să depășească 5 x 104 rad;

O orbită circulară cu o altitudine de 600-800 km este considerată sigură pentru radiații;

durata de viață a sistemelor de bord KETA ar trebui să fie de 1-2 ani în prima etapă, crescând la 5-7 ani în timpul testărilor ulterioare;

numărul de zboruri KETA pe resursă – până la 10;

doza totală de radiații radioactive primite în compartimentul instrumentelor de la funcționarea reactorului și impactul centurilor de radiații ale Pământului: radiații gamma - nu mai mult de 106 rad; fluență neutronică rapidă – nu mai mult de 1013 n/cm 2 .

RRC „Institutul Kurchatov” a dezvoltat un design pentru o centrală nucleară cu un convertor de energie pentru turbomașini proiectat pentru următorii parametri:

putere termică – până la 10 MW;

putere electrică – aproximativ 2 MW;

sistem de conversie a energiei – turbomașină (ciclul Brayton);

durata totala de functionare – minim 104 ore;

numărul de incluziuni pe resursă – până la 30;

temperatura maximă a fluidului de lucru - până la 1500 K.

În urma studiilor efectuate, au fost determinate principalele caracteristici de proiectare ale centralei nucleare:

masa reactorului răcit cu gaz – 1000 kg;

combustibil – UC (U,Zr)C,UNc cu îmbogățire 90% în U235, placare combustibil – Zr, W184, reflector – Be;

masa de radioprotecție (LiH,W,B4C) – 1000 kg;

greutatea convertorului de energie (turbină, compresor și generator unipolar) – 3500 kg;

fluid de lucru – amestec heliu-xenon (1-3% Xe);

frigidere cu radiator - pe conducte de căldură la o temperatură medie de aproximativ 700 K, greutate 3000 kg;

suprafața frigiderului-emițător (eficient) – aproximativ 300 m2;

masa sistemului control automat, sisteme de alimentare – 1000 kg;

greutatea structurii centralei nucleare – 1500 kg;

masa totală a centralei nucleare – 11.000 kg;

greutate specifică – 5,5 kg/kW.

Structural, KETA, care include o centrală nucleară, constă dintr-un modul de centrală cu reactor nuclear și protecție; TEMP plasat în conul de radioprotecție; frigider-emițător pe conducte termice, realizat după circuitul de susținere; patru planuri derulante de emițătoare frigorifice având formă semicilindric, precum și o fermă retractabilă situată în interiorul emițătorului frigorific.

Pe ferma retractabilă există:

compartiment pentru instrumente cu sistem de andocare, instrumente de orientare, navigație, comunicații și un sistem suplimentar de propulsie;

sistem de propulsie rachete electrice sustainer (impuls specific 4600 s); rezervor de combustibil xenon.

Principalele caracteristici de masă ale KETA: centrală nucleară – 11.000 kg; ERDU – 5000 kg; fermă retractabilă, rezervor de combustibil - 1000 kg; compartiment instrumente, sistem de andocare – 2000 kg; sistem de propulsie suplimentar, necontabil pentru elemente – 1000 kg; combustibil (xenon) – 8000 kg; greutatea totală „uscata” a KETA este de 20.000 kg. KETA poate oferi cercetări spațiale extinse, crearea unei baze lunare și soluționarea unui număr de alte probleme economice și de apărare naționale.

În secolul 21 vor trebui rezolvate sarcini mai mari consumatoare de energie: crearea spațiului complexe de producție, cercetarea cometelor, asteroizilor etc. Pentru a le rezolva, este nevoie de o telecomandă mai puternică. Cerințele de putere ale unui sistem de propulsie sunt determinate de timpul de zbor, masa sarcinii utile, masa specifică a centralei (kg/kW), impulsul specific și randamentul motorului. Puterea necesară pentru un zbor de marfă către Lună, un zbor de marfă de 600 de zile către Marte cu o sarcină utilă de sute de tone, este estimată la 1-10 MW. Un zbor cu echipaj uman către Marte necesită surse de alimentare cu o putere de câteva zeci de MW. Acest lucru permite, ținând cont de casă și experiență străină luați în considerare conceptul de creare a unui CET cu un sistem de propulsie nucleară bazat pe o centrală electrică cu o putere electrică de câțiva MW.

Centrală nucleară cu o putere electrică de 2 MW pentru un vehicul de transport de energie spațială. Vehiculele de transport de energie spațială cu o centrală nucleară cu o putere de aproximativ 2 MW și motoare electrice cu rachete pot oferi progrese semnificative în explorarea planetelor sistemului solar, crearea unei baze lunare, efectuarea unor experimente pur științifice de înaltă energie. în spațiu și, în cele din urmă, cu utilizarea lor costul poate fi redus de mai multe ori livrarea a 1 kg de sarcină utilă către orbite geostaționare și alte orbite înalte.

KETA este o navetă spațială (remorcher interorbital). KETA este lansat pe orbită joasă de către vehiculul de lansare Angara. Este destul de evident că programele de explorare a planetelor îndepărtate, crearea unei baze lunare, o expediție cu echipaj pe Marte și, în cele din urmă, proiectele de telefonie spațială globală necesită o creștere intensivă decisivă a capacităților de transport ale tehnologiei spațiale, ceea ce predetermina o creștere bruscă a alimentarea cu energie a navelor spațiale.

Sisteme de propulsie a rachetelor electrice nucleare cu o putere electrică de 2-10 MW. Din proiectarea preliminară și analiza balistică rezultă că pentru centralele nucleare cel mai adecvat nivel de putere electrică este de ~3 MW ca fiind cel mai optim în conformitate cu următoarele criterii:

masa maximă posibilă de sarcină utilă lansată pe orbita geostaționară folosind un sistem de propulsie cu propulsie nucleară este plasată într-un container PG în timpul lansării de pe Pământ către vehiculul de lansare Energia;

timpul de transport al mărfurilor la GEO nu depășește 100 de zile (condiția de a nu depăși doza de radiație admisă la trecerea prin centurile de radiații ale Pământului);

impulsul specific al unui motor electric de rachetă (EP) este de 5000 s;

nivelul de putere selectat este universal pentru rezolvarea unui număr de alte probleme (transportarea mărfurilor către Marte, Lună, Venus, modificarea înclinării orbitelor obiectelor spațiale mari, cum ar fi stațiile științifice, efectuarea de experimente științifice și organizarea). productie industriala pe orbita).

Dintre sistemele puternice de propulsie electrică, cele mai dezvoltate atât în ceea ce privește parametrii de zbor, cât și dezvoltarea subsistemelor sunt cele magnetoplasme și ion electrice. motoare rachete. În prezent, au fost investigate posibilitățile de realizare a unui motor magnetoplasmoddinamic (MPD) cu o putere de 2,5 MW cu câmp extern, care funcționează la un curent de descărcare de 10 kA și o tensiune de 250 V. Resursa motorului necesară pentru majoritatea misiunilor spațiale este se presupune că este de 10 mii de ore, astfel încât evoluțiile vizează în principal creșterea duratei de viață a unui motor individual. A fost demonstrată posibilitatea de a opera motoare MTD cu o putere de până la 40 MW în regim cvasi-staționar. Fluxul de plasmă este descris satisfăcător de ecuațiile magnetohidrodinamicii ideale.

Utilizarea motoarelor MTD puternice în experimentele spațiale efectuate în ultimele decenii nu a fost luată în considerare din cauza nivelului scăzut de energie la bord al navelor spațiale existente. Operarea centralei la niveluri scăzute de putere este dezavantajoasă din două motive. În primul rând, aceasta reduce eficiența conversiei energiei electrice în tracțiune la o valoare inacceptabil de scăzută. În al doilea rând, eficiența ridicată la niveluri scăzute de putere medie poate fi atinsă numai în modul de funcționare în impulsuri al sistemului de propulsie. Pentru a asigura funcționarea în impulsuri, este necesar un convertor de energie cu dispozitive auxiliare, a cărui masă este destul de semnificativă. Prin urmare, sistemele de propulsie de putere redusă cu motoare MTD în impulsuri nu pot concura cu alte motoare de propulsie electrice.

Calculele balistice efectuate au mai arătat că este foarte promițătoare utilizarea unui motor MPD într-un sistem de propulsie pentru zboruri interorbitale dacă nava spațială are la bord o sursă de energie megawați, la care motoarele MPD staționare ating caracteristici de propulsie satisfăcătoare. Pentru a transporta o sursă mare de energie de pe o orbită joasă a satelitului pe o orbită geostaționară folosind un motor pornit combustibil chimic necesită o masă de combustibil de 10 ori mai mare decât masa sarcinii utile. Când utilizați un motor MTD, masa fluidului de lucru este redusă de 5-10 ori. Dacă luăm în considerare faptul că masa motorului MTD este de același ordin cu cea a unui motor cu combustibil chimic, atunci câștigul în masa inițială a navei spațiale pe orbita joasă a Pământului se dovedește a fi semnificativ. Pentru a îndeplini astfel de sarcini, este necesar un design de instalare fiabil cu un motor MTD cu o putere de câțiva megawați.

Cea mai optimă pentru o navă spațială cu nivelul de putere selectat este o centrală cu reactoare cu neutroni rapidi, al cărei concept de bază se bazează pe utilizarea compozițiilor la temperatură ridicată cu uraniu intens sub formă de elemente de combustibil cu tije răsucite sau umplere gratuită cu combustibil de bile. elemente cu debit axial de lichid de răcire. Alegerea unui reactor cu neutroni rapidi este determinată de: dimensiuni și greutate minime; absența unui moderator, ceea ce elimină problema stabilității și răcirii acestuia; absența virtuală a efectelor de reactivitate asociate cu burnout și zgură; marja inițială mică și efectul negativ al temperaturii reactivității.

Securitatea nucleară în toate etapele ciclu de viațăÎn situații normale și de urgență, navele spațiale sunt furnizate folosind mijloace active și pasive, inclusiv următoarele elemente:

tamburi de control în reflectorul lateral;

tije absorbante retractabile;

absorbante rezonante plasate in miez; modificare programabilă a geometriei reactorului în situații de urgență.

Protecția împotriva radiațiilor a sarcinii utile și a sistemului de control - umbră, sub formă de trunchi de con - este determinată de nivelul maxim admisibil de radiație. Hidrura de zirconiu activată cu bor și hidrura de litiu sunt considerate principalele componente de protecție. Alegerea metodei de conversie a turbomașinii conform ciclului termodinamic Brayton se datorează masei specifice reduse a sistemului de conversie - mai mică de 10 kg/kW, care este semnificativ mai mică decât valoarea acesteia pentru alte metode de conversie (30 kg/kW); grad înalt pregătirea tehnologică, perfecțiunea principalelor componente ale circuitului de gaz; capacitatea de a se asigura că parametrii de ieșire ai generatorului electric corespund nevoilor sarcinii; randament ridicat de conversie a energiei (-30%). Printre metodele dinamice de conversie a energiei, ciclul Brayton se distinge prin faptul că oferă ușurință în pornire, inerție chimică și inactivabilitate la radiații a fluidului de lucru.

Centrala electrică propusă utilizează un ciclu Brayton închis cu regenerare directă, principalele componente în implementarea căruia sunt un turbocompresor-generator, un schimbător de căldură recuperator și un frigider-radiator (CI). Temperatura maximă a ciclului este de 1500 K, ceea ce este destul de justificat atunci când se utilizează materiale structurale moderne pe bază de ceramică pentru fabricarea discurilor de turbină și aliaje rezistente la căldură pentru componentele carcasei și conductele de alimentare. Materialele care funcționează la astfel de temperaturi au însă o fragilitate crescută la temperaturi mai scăzute, ceea ce necesită dezvoltarea algoritmului de pornire a turbinelor. Designul schimbătorului de căldură recuperator, constând dintr-o serie de foi ștanțate, asigură un schimb de căldură de mare intensitate și, prin urmare, permite crearea unui schimbător de căldură compact și ușor.

Nava spațială constă dintr-un modul de centrală electrică bazat pe un reactor nuclear, un modul de propulsie, un accelerator și un compartiment de sarcină utilă. Modulul centralei electrice include o centrală de reactor, protecție împotriva radiațiilor în umbră, un sistem de conversie a energiei (ECS), frigidere cu radiator bazate pe conducte de căldură și o ferme glisante. Modulul de propulsie conține un bloc de motoare de propulsie electrice, un rezervor de combustibil, un sistem de control al motorului, un sistem de control al navelor spațiale și un sistem de control al centralei nucleare. Răcitoarele de radiatoare ale sistemului de propulsie a rachetei electrice sunt amplasate pe suprafața modulului de propulsie.

Acceleratorul este o treaptă de rachetă care poate fi aruncată, constând dintr-un rezervor de oxidant (oxigen), un rezervor de combustibil (kerosen) și două motoare cu o tracțiune totală de aproximativ 1 tf, situate pe o ferme care poate fi aruncată. Armatura este fixată pe suprafața cadrului de putere al SEP și este aruncată împreună cu tancuri și motoare pe o orbită circulară cu o altitudine de Ncr ~ 800 km. Compartimentul de sarcină utilă are un volum total de aproximativ 800 m3 și este separat de nava spațială la GSO de-a lungul planului de andocare cu modulul de propulsie.

Când este introdusă pe orbită joasă, nava spațială este plasată în containerul de sarcină utilă al vehiculului de lansare Energia. Containerul de sarcină utilă este deschis și aruncat după ce vehiculul de lansare este lansat la o altitudine de Nkr - ~ 200 km. Apoi se pornesc motoarele de accelerație, iar când nava spațială ajunge pe orbita de referință cu o altitudine de Ncr ~ 600... 800 km, acceleratoarele sunt resetate. Pe orbita de referință, la comandă de la Pământ, se efectuează operațiuni de deplasare a fermelor CI și deschidere a acestora. Apoi, reactorul este pornit și sistemul de alimentare este adus la nivelul de putere specificat. După testarea subsistemelor navelor spațiale, acesta este transferat în poziția de orientare gravitațională. Motoarele principale de propulsie sunt pornite.

Potrivit calculelor, timpul pentru lansarea unei nave spațiale cu parametrii specificați pe orbita geostaționară va fi de aproximativ 60 de zile, în timp ce cel mai timp, nava spațială se va afla în centuri de radiații de intensități diferite. Dacă protecția navei spațiale de control și sarcină utilă este realizată din aluminiu, asigurând greutatea specifică a acestuia până la 1 g/cm2, doza totală de radiație nu va depăși 2*104 rad. După introducerea pe orbită, sarcina utilă este separată de navă spațială, iar nava spațială, dacă este necesar, este transferată pe o orbită geocentrică.

Astfel, cercetările efectuate arată următoarele:

utilizarea vehiculului de lansare Energia și a unui sistem de propulsie cu propulsie nucleară de 3 MW cu conversie cu turbomașină și a unui motor MPD cu o eficiență de ~ 0,7 și un impuls specific de 5000 s face posibilă lansarea unei sarcini utile cu o greutate de 35 de tone pe orbita geostaționară în 60 de zile;

utilizarea unui sistem de propulsie cu propulsie nucleară dublează masa și volumul sarcinii utile lansate pe orbita geostaționară în comparație cu un motor de rachetă cu combustibil lichid;

siguranța nucleară a navelor spațiale în toate etapele ciclului său de viață în situații normale și de urgență poate fi asigurată prin mijloace active și pasive de protecție;

Fezabilitatea conceptului propus de motor electric de rachetă este confirmată de o serie de studii experimentale și teoretice efectuate în Rusia și în străinătate.

În prezent, Rusia are capabilitățile de a rezolva această problemă, deoarece are un vehicul puternic de lansare Energia, precum și resurse științifice și tehnice pentru sistemele nucleare și de propulsie spațiale. Alături de centralele nucleare, care prezintă un risc crescut de radiații, dezvoltare ulterioară Vor fi disponibile și motoarele de rachetă cu design tradițional.

Mijloacele comerciale de teledetecție a Pământului din spațiu abia încep să se dezvolte. Agricultură, dezvoltare Regionala, construcțiile și industria minieră folosesc din ce în ce mai mult date de teledetecție. Instrumentele spațiale de teledetecție existente, cum ar fi Spot, Landsat etc., nu sunt pur comerciale, în ciuda principiilor pieței de diseminare a informațiilor primite. Aceste sisteme sunt subvenționate de agențiile guvernamentale, deoarece în stadiul actual ele...

Centrul Național de Cercetare Spațială al CNES (CNES) derulează atât programe spațiale civile, cât și militare (în colaborare cu Ministerul Apărării). Sistemul militar de comunicații prin satelit Sirakus a fost creat (1988) pe baza navei spațiale Telecom. Din 1995, au fost lansate nave spațiale de recunoaștere Helios, create pe baza navei spațiale Spot. Sonda spațială Helios-2 este dezvoltată cu participarea altor țări europene. Funcționarea navelor spațiale cu teledetecție continuă...

Pentru prima dată în istoria rachetelor și tehnologiei spațiale, este implementat cel mai mare proiect internațional - crearea Stației Spațiale Internaționale. Programele spațiale finalizate anterior și implementate în prezent sunt inferioare proiectului ISS în ceea ce privește amploarea și volumul sarcinilor, componența țărilor participante și a organizațiilor co-executoare și responsabilitatea pentru rezolvarea problemelor de fiabilitate și siguranță în timpul creării și funcționării pe termen lung. a ISS. Problemele de asigurare a fiabilității și siguranței au fost plătite...

Rezolvarea întregului set de probleme structurale, de circuite și tehnologice complexe în dezvoltarea, crearea și funcționarea activelor spațiale este imposibilă fără dezvoltarea și implementarea pe scară largă a rezultatelor științei materialelor spațiale. La dezvoltarea vehiculelor spațiale, sunt necesare materiale noi care trebuie să reziste la sarcinile zborurilor spațiale (temperatură și presiune ridicată, sarcini vibraționale în faza de lansare, temperaturi scăzute ale spațiului cosmic, vid profund, expunere la radiații,...

Un cosmodrom este un teritoriu echipat ingineresc pe care sunt amplasate structuri și mijloace tehnice interconectate funcțional care asigură recepția din fabricile de producție și depozitarea elementelor de rachetă și tehnologie spațială, pregătirea vehiculelor de lansare și a navelor spațiale și lansarea acestora. Atunci când se utilizează vehicule de lansare reutilizabile la cosmodrom, se pot crea posturi de reparații și întreținere pentru a asigura întreținerea după zbor a acestor vehicule...

Baza sistemelor de automatizare (AS) ale centrelor de control al zborului navelor spațiale și ale centrelor de procesare a informațiilor operate la NAKU în anii 1990 au fost sisteme informatice cu performanță scăzută din a doua și a treia generație, dintre care peste 50% au epuizat în mod repetat resursele stabilite, au fost depășit atât din punct de vedere moral, cât și fizic (Seria de calculatoare SM, M-222, VK-2M45/46, „Elbrus-1”, etc.) Nivelul de automatizare a controlului navelor spațiale a fost de 70-80%. Nesatisfăcător...

Vehiculele de lansare spațială sunt tehnice complexe sisteme de transport, conceput pentru a livra încărcături utile în spațiul cosmic pe orbite specificate. Toate vehiculele de lansare spațială existente, precum și cele care vor fi operate în viitorul previzibil (25...30 de ani), se bazează pe principiul propulsie cu reacție. Primele rapoarte despre utilizarea dispozitivelor care folosesc acest principiu au apărut în limba chineză...

Regatul Unit operează sateliți de comunicații militare Skynet și participă la gestionarea sateliților de comunicații NATO. Marea Britanie este considerată cel mai mare consumator din Europa (și al doilea ca mărime din lume) de informații spațiale de la diverse nave spațiale din multe țări și organizații. Rezultatele prelucrării datelor (inclusiv imagini de la sateliți meteorologici și sateliți de teledetecție), acumulate pe parcursul mai multor ani, pot fi utilizate în scopuri militare, de exemplu, în situații de criză...

Cooperarea internațională în domeniul programelor spațiale comerciale în perioada 1980-1990. s-a extins semnificativ. În urma organizării primelor consorții Intelsat și Inmarsat, a urmat crearea unui număr semnificativ de sisteme și programe la nivel mondial și regional - Comsat, Landsat, Meteosat, Eutelsat, Panamsat, Asiasat, Iridium, GlobalStar etc. În 1998, a început crearea Stației Spațiale Internaționale. Principalele caracteristici ale etapei: o creștere semnificativă a domeniului de activitate,...

Dezvoltarea mijloacelor de lansare a încărcăturilor utile în spațiul cosmic (rachete de lansare) în țara noastră a decurs în mai multe direcții. Prima direcție, care a apărut în 1957, este asociată cu crearea unui număr de vehicule de lansare bazate pe racheta balistică intercontinentală R-7 (ICBM). Acest ICBM a fost dezvoltat la faimosul OKB-1 (din 1966 - Central Design Bureau of Experimental Mechanical Engineering (TsKBEM), din 1974 -...

Industria energiei nucleare în curs de dezvoltare necesită un aflux constant de specialiști în industrie.

Această carte face parte dintr-un volum de cinci volume ajutor didactic„Reactoare nucleare și centrale electrice” și este conceput pentru a pregăti proiectanții de centrale nucleare (NPP).
Volumele primei ediții au fost publicate în 1981 - 1983. și a inclus următoarele cărți: Emelyanov I. Ya., Efanov A. I., Konstantinov L. V. „Bazele științifice și tehnice ale controlului reactoarelor nucleare” (M.: Energoizdat, 1981) Ganev I. X. „Fizica și calculul reactorului” (M.: Energoizdat, 1981) Egorov Yu. A. „Fundamentele siguranței radiațiilor centralelor nucleare” (M.: Energoizdat, 1982) Emelyanov I. Ya., Mikhan V. I., Solonin V. I. și etc. „Proiectarea reactoarelor nucleare” (M. : Energoizdat, 1982) Ganchev B.G., Kalishevsky L.L., Demeshev R.S. și colab. „Centrale nucleare” (M.: Energoatomizdat, 1983). În zilele noastre, cărțile din prima ediție au devenit greu accesibile pentru studenți. În cea de-a doua ediție a cărții, materialul din prima ediție este completat și parțial revizuit.
Autorii cărții au încercat să acopere într-o formă concisă principalele probleme legate de calculul și proiectarea centralelor nucleare în diverse scopuri: pentru centrale nucleare staționare, transportul pe apăși obiecte spațiale, care corespunde practicii consacrate de pregătire a proiectanților de centrale nucleare. În conformitate cu nevoile industriei, atenția principală este acordată centralelor nucleare staționare. Caracteristicile instalațiilor și elementele acestora pentru alte scopuri sunt prezentate mai pe scurt.
La dezvoltare modernă echipament tehnic, proiectantul centralei nucleare trebuie să fie capabil nu numai să selecteze compoziția necesară a echipamentului, să își justifice parametrii principali, ci și să realizeze proiectarea
calcul structural, cel puțin la nivel de proiectare preliminară, pentru a justifica sarcina dezvoltatorilor unuia sau altuia de echipamente de încălzire, energie electrică și alte echipamente, pentru a justifica eficiența și fiabilitatea deciziilor luate. Acest lucru este cu atât mai important cu cât la crearea unui nou tip de instalație de reactor, este necesar să se redezvolte aproape toate echipamentele.
Particularitățile acestei cărți includ faptul că, în cadrul unui volum, problemele abordate anterior în diverse manuale, materiale didactice și monografii sunt prezentate într-o formă concisă și dintr-o poziție unificată.
Autorii și-au stabilit sarcina, în cadrul unui volum, de a furniza informații primare despre calculul și proiectarea centralelor nucleare în ansamblu și elemente individuale ale echipamentelor sale, însoțind fiecare secțiune cu o listă de literatură recomandată pentru o mai bună înțelegere. studiul aprofundat al problemei.
Conținutul principal al cărții este împărțit în patru părți. Prima discută aspecte generale în proiectarea centralelor nucleare. O atenție deosebită se acordă calculului și justificării proiectării termice a instalației și aspectelor economice.
A doua parte este dedicată echipamentelor centralelor nucleare. Sunt luate în considerare principiile și metodele de bază de calcul și proiectare a echipamentelor, conductelor și fitingurilor de schimb de căldură și mașini. Problemele calculelor de rezistență sunt incluse într-un capitol separat. A treia parte examinează sistemele și echipamentele pentru răcirea de urgență, reîncărcarea combustibilului, curățarea și completarea lichidului de răcire, alimentarea tehnică cu apă și ventilația.
Cartea se încheie cu a patra parte, care examinează proiectarea și amenajarea centralelor nucleare la centralele nucleare, pe nave și pe obiecte spațiale.
Autorii își exprimă încrederea că, după ce a stăpânit materialul din carte, studentul va fi pregătit pentru independență munca practicași un studiu mai aprofundat al problemelor necesare.
Introducere, § 1.1, 1.2, 6.1 - 6.6, 6.8, 7.1 - 7.9, 8.2, 8.3, precum și Ch. 9 scris de B. G. Ganchev cap. 2, § 1.3, 6.7, 6.9 întocmit de S.V. Selikhovkin § 3.1 - 3.7, Cap. 4, § 8.1, cap. 14 și 15 au fost scrise de L. L. Kalishevsky cap. 5 și § 7.10, 7.11 au fost scrise de E. B. Kolosov; materialul § 1.4, 3.8, 6.10, Cap. 11 și 13 întocmit de L. A. Kuznetsov Ch. 10 - R. S. Lemeshev cap. 12 -
N. F. Rexney § 6.2 - L. E. Kostikov. B. I. Katorgin, Yu. V. Zhuravsky, V. V. Lozovetsky au participat și ei la pregătirea materialului pentru prima ediție.
Autorii exprimă profundă recunoștință față de recenzorul acestei ediții a cărții, doctor în științe tehnice, profesor al Institutului de Inginerie Energetică din Moscova L.P. Kabanov.

INTRODUCERE

Energia nucleară este o parte importantă și integrantă a economiei globale. Până la începutul anului 1988, mai mult de 420 de unități de putere cu o capacitate totală instalată de aproximativ 300.103 MW erau operate la centrale nucleare (CNP) în 26 de țări din întreaga lume. Ponderea lor în producerea de energie electrică este de 16%. Se presupune că până la sfârșitul secolului al XX-lea. În structura bilanțului global al combustibilului, ponderea combustibilului nuclear va fi de 20%.
În URSS, la începutul anului 1988, 16 centrale nucleare operau 45 de unități de putere cu o capacitate totală instalată de 34,4X x 103 MW. Ponderea centralelor nucleare în totalul producției de energie electrică din țară a fost de 11,2%.
Dezvoltarea energiei nucleare a început odată cu lansarea primei centrale nucleare cu o capacitate de 5000 kW la 27 iunie 1954 în URSS la Obninsk. Funcționarea sa a dovedit în mod convingător fezabilitatea tehnică a conversiei energiei nucleare în energie electrică la scară industrială. Omenirea are ocazia să folosească o nouă sursă de energie, extrem de bogată în calorii, care ne va permite în viitor să reducem drastic consumul de combustibili fosili tradiționali pentru generarea de energie electrică. A fost demonstrată posibilitatea creării și utilizării materialelor, echipamentelor și instrumentelor la centralele nucleare de o asemenea calitate și cu asemenea caracteristici care să asigure un nivel ridicat de fiabilitate și siguranță în exploatare în raport cu mediul, populația și personalul de exploatare.
După lansarea Primei Centrale Nucleare, a început construcția unor centrale nucleare mai puternice, cu scopul de a-și demonstra competitivitatea economică cu centralele pe combustibili fosili. Această perioadă s-a încheiat practic în anii 60. Începând cu anii '70, a început construcția pe scară largă a centralelor nucleare puternice. În 1975, capacitatea instalată a centralelor nucleare din lume se ridica la 76 GW, în 1985 - 248,6 GW, până în 2000 se așteaptă ca capacitatea instalată să crească la 505 GW. Ritmul de dezvoltare a energiei nucleare este determinat de condițiile specifice și, mai ales, de resursele de combustibili fosili ale unei anumite țări. În țările alimentate cu combustibili fosili, în prima etapă, extinderea capacităților centralelor nucleare a decurs într-un ritm mai lent, dar pe măsură ce tehnologia centralelor nucleare s-a îmbunătățit și eficiența lor a crescut, acestea au crescut. Astfel, dacă în 1975 ponderea țărilor membre CMEA reprezenta aproximativ 10% din capacitatea instalată la centralele nucleare, atunci până în 2000 această pondere va crește.
S-a avut în vedere dezvoltarea accelerată a energiei nucleare program cuprinzător progresul științific și tehnologicȚările membre CMEA până în anul 2000.
Principalele premise pentru creșterea rapidă a energiei nucleare sunt următoarele:
Combustibilul nuclear se caracterizează prin putere calorică ridicată (degajarea de căldură specifică a combustibilului nuclear este de aproximativ 2X X 106 ori mai mare decât cea a combustibilului organic). Prin urmare, pe baza energiei nucleare, este posibilă dezvoltarea bazei energetice a zonelor lipsite de propriile rezerve de materii prime energetice, fără a crește costurile de transport pentru livrarea acesteia. Astfel de zone includ partea europeană a URSS, unde trăiește peste 60% din populație și se produc peste 80% din produsele industriale. Prin urmare, în partea europeană a început construcția de centrale nucleare puternice pe un front larg.
Un alt avantaj important al instalațiilor nucleare este poluarea scăzută a mediului în condiții normale de funcționare. În timpul funcționării, centralele tradiționale consumă o cantitate uriașă de oxigen pentru a arde combustibil, emit produse de ardere a combustibilului în mediu, inclusiv substanțe nocive precum oxizi de azot și sulf, iar atunci când funcționează cu combustibili solizi, cantități semnificative de cenușă. Producția totală de energie electrică la centralele nucleare pe an este în prezent echivalentă cu arderea a 550x106 tone de cărbune sau 350-106 tone de petrol la centralele termice. O centrala termica cu o capacitate electrica de 1000 MW consuma 3-106 tone de carbune pe an, producand 7-106 tone dioxid de carbon, 120-103 tone dioxid de sulf, 20X103 tone oxizi de azot si 750-103 tone cenusa . Metalele grele dăunătoare conținute în cenușă (arsen, plumb, cadmiu etc.) rămân în biosferă. Procesul de lucru în instalațiile nucleare (CNE) nu are practic legătură cu mediul înconjurător, cu excepția deversării de căldură - poluare termică la sursa rece a ciclului (condensatoare turbine de răcire), dar tradițional centrale termice(TES).
Peste 30 de ani de experiență în operarea centralelor nucleare din întreaga lume a demonstrat că acestea pot fi într-adevăr economice (în medie Energie electrica, produs la centralele nucleare, este de 2 ori mai ieftin decât la centralele termice care ard cărbune) și ecologic. Dar aceeași experiență arată că în re-6
Ca urmare a încălcării regulilor de funcționare a stațiilor, pot apărea scurgeri de medii radioactive, așa cum sa întâmplat în SUA, Germania, Marea Britanie și în URSS - la Cernobîl. Un reactor nuclear și o centrală nucleară sunt, în general, sisteme tehnice extrem de complexe care necesită o abordare deosebit de responsabilă în timpul proiectării, producției și exploatării. Ca și în alte complexe sisteme tehnice, problema interacțiunii dintre om și mașină este evidențiată în mod deosebit aici. Instalațiile industriale moderne, cum ar fi structurile hidraulice mari, uzinele chimice, instalațiile de stocare a gazelor, instalațiile de producție și reprocesare a combustibilului nuclear, precum și tehnologia rachetelor și spațiale reprezintă un pericol potențial ridicat. Accidentul de la centrala nucleară de la Cernobîl, de la centrala nucleară americană Three Mile Island, o explozie la o uzină chimică din orașul indian Bhopal, moartea navetei spațiale americane Challenger, dezastre pe mare și pe calea ferata a arătat că problema interacțiunii dintre om și mașină nu a fost încă pe deplin rezolvată și necesită o atenție neobosită. După cum a subliniat academicianul V. A. Legasov când a comentat cauzele accidentului de la Cernobîl, inamicul nu este tehnologia în sine, ci manipularea noastră incompetentă și iresponsabilă a acesteia. Motivul principal Accidentul de la Cernobîl, conform concluziilor comisiei guvernamentale, a fost o încălcare consecventă a mai multor prevederi ale regulamentului de funcționare. În plus, s-a afirmat că proiectarea reactorului nu exclude posibilitatea unui accident din cauza acțiunilor eronate ale personalului. Modificările de proiectare introduse după accident elimină posibilitatea unor accidente similare în reactoarele de acest tip. Sarcina a fost stabilită pentru a crea o nouă generație de reactoare cu mai multe nivel inalt securitate „internă”.
Accidentul de la Cernobîl a intensificat dezbaterea despre oportunitatea utilizării în continuare a energiei nucleare. Oamenii de știință diverse tari lumea oferă un răspuns clar cu privire la posibilitatea utilizării sigure și economice a energiei nucleare. Potrivit Comisiei Comunității Economice Europene (CEE) pentru protecția mediului, protecția consumatorilor și siguranța nucleară, umanitatea nu are nicio alternativă la dezvoltarea centralelor nucleare care să fie acceptabilă din punct de vedere economic, de mediu și energetic. În ciuda eforturilor semnificative depuse de CEE pentru a dezvolta standarde stricte pentru emisiile de oxizi de sulf și azot și de particule, progrese semnificative în acest domeniu nu au fost realizate din 1983. Acumularea în atmosferă de dioxid de carbon și o serie de alte produse de ardere a combustibililor organici până în 2030 poate duce la un efect de seră și la o creștere a temperaturii globale de 4,5 1 ca urmare, nivelul mării mondiale va crește cu 0,8 - 1,7 m. În aceste condiții devine evidentă necesitatea continuării construcției centralelor nucleare.
Mai mult, energia nucleară ocupă un loc atât de important în economiile multor țări, încât abandonarea acesteia este pur și simplu imposibilă. Mai jos sunt date despre ponderea centralelor nucleare în producerea de energie electrică în unele țări în 1989:
Utilizarea energiei nucleare a devenit unul dintre domeniile progresului tehnologic.
Dezvoltarea energiei nucleare în URSS s-a bazat până în prezent pe două tipuri principale de reactoare nucleare: reactoare cu apă presurizată în centrale cu dublu circuit și reactoare cu canal cu moderator de grafit în centrale cu un singur circuit. Ambele tipuri de instalații folosesc un ciclu de turbină cu abur. Reactoarele cu apă sub presiune sunt cele mai comune în industria energetică mondială.
Reactoarele cu apă sub presiune pot fi utilizate în scheme cu dublu circuit cu apă nefiertă sub presiune în circuitul primar și în scheme cu un singur circuit cu apă clocotită în miez. În practica casnică, se folosesc în principal reactoare cu apă sub presiune, care în ingineria electrică staționară sunt numite reactoare de putere răcite cu apă (WWER) (Fig. B.1, B.2). Avantajele unor astfel de reactoare (comparativ cu cele cu canale) sunt compactitatea lor mai mare, care permite ca toate echipamentele circuitului primar să fie sigilate într-o carcasă de protecție, comunicații simple și condiții mai simple pentru controlul funcționării reactorului. Cu toate acestea, necesită carcase grele, cu pereți groși și cu diametru mare, care funcționează la presiuni mariîn condiții de iradiere cu fluxuri puternice de neutroni, combustibilul este supraîncărcat și reactorul este oprit; posibilitățile de creștere a parametrilor de abur în fața turbinei sunt limitate; supraîncălzirea nucleară a aburului este imposibilă.
Reactoarele de tip VVER sunt utilizate la centralele nucleare din țara noastră din 1964 (Unitatea I CNE Novovoronezh lor. 50 de ani de la URSS). În prezent, acestea sunt operate cu succes și la Kola, Rivne, Zaporozhye, Kalinin, Balakovo și alte centrale nucleare din URSS și din străinătate: sunt construite și la o serie de noi centrale nucleare din Republica Democrată Germană, Finlanda și Bielorusia.
Un impuls puternic pentru utilizarea reactoarelor cu apă sub presiune la centralele nucleare interne a fost crearea unui centru specializat. asociație de producție„Atommash” în Volgodonsk. După 1986 (după accidentul de la Cernobîl), a fost luată o decizie 8
Elveţia. 41,6% Franța. .74,6% Belgia. . 60,8% Finlanda. 35,4% Germania. . . .34,3%
Cehoslovacia. . . 27,6% NRB. . . .32,9% Japonia. . . 27,8% SUA 19,1% URSS. . . 12,3%
Orez. ÎN 1. Reactor VVER-440 (hală centrală)
privind dezvoltarea energiei nucleare autohtone pe baza de reactoare de tip VVER. La toate unitățile de operare s-au luat măsuri pentru creșterea eficienței protecției în caz de urgență, îmbunătățirea sistemelor de localizare a accidentelor și creșterea fiabilității echipamente tehnologice. A fost dezvoltat un design pentru unitatea de putere de înaltă siguranță NPP-88, care oferă sisteme de siguranță pasivă suplimentare. Prima unitate a noului proiect va fi pusă în funcțiune în 1993.
Proiectarea unui reactor cu canal cu un moderator de grafit (Fig. B.3) a fost propusă în URSS în anii 40. Pentru dumneavoastră-
Pentru generarea de energie electrică, reactoare cu canal au fost utilizate la Prima CNE, CNE din Siberia (1958), CNE Beloyarsk
lor. I.V. Kurchatov (1964), la o serie de centrale nucleare puternice - Leningradskaya numit după. V.I. Lenin (1973), Kursk, Smolensk, Ignalinsk etc.
Principalele avantaje ale acestui tip de reactor includ următoarele:
posibilitatea implementării unor capacități mari de unitate; absența unui singur vas greu, ceea ce complică fabricarea și transportul reactorului
Orez. VZ. Reactor RBMK (hală centrală)
posibilitatea secționării reactorului și creării de reactoare de diferite puteri din secțiuni standard fabricate în fabrică
posibilitatea supraîncălzirii nucleare a aburului în miezul reactorului, obținerea unor parametri înalți și, în consecință, creșterea eficienței ciclului
Posibilitatea de reîncărcare continuă a combustibilului fără oprirea reactorului.
Utilizarea reactoarelor cu canal a asigurat o creștere rapidă a capacității centralelor nucleare înainte de lansarea lui Atommash. În 1987, acestea reprezentau aproximativ jumătate din capacitatea instalată (13 unități cu o capacitate de până la 1000 MW și 2 unități de 1500 MW fiecare).
Accident la Unitatea IV Centrala nucleara de la Cernobîlîn 1986, odată cu distrugerea reactorului și eliberarea de produse radioactive în mediu, reactoarele de acest tip au atras atenția îndeaproape a specialiștilor și a comunității mondiale. Scenariul de desfășurare a accidentului, cauzele acestuia și direcțiile de îmbunătățire a reactoarelor sunt discutate în detaliu în alte volume ale manualului. Aici remarcăm încă o dată că cauza accidentului a fost o încălcare consecventă a regulamentului de exploatare. În aceste condiții, au apărut și neajunsuri în proiectarea reactorului: un coeficient de reactivitate pozitiv al aburului, iar la putere redusă, un coeficient de reactivitate al puterii pozitive, care face reactorul instabil la niveluri de putere scăzute; viteza de răspuns insuficientă a sistemelor de protecție în caz de urgență; insuficiență. mijloace tehnice, aducerea automată a reactorului în stare de siguranță în cazul acțiunilor personalului care nu respectă cerințele reglementărilor tehnologice.
Măsurile organizatorice și tehnice efectuate la toate unitățile de putere în funcțiune cu reactoare RBMK-YOO și RBMK-1500 exclud complet posibilitatea unei accelerații rapide necontrolate a reactorului. Coeficientul pozitiv de reactivitate a vaporilor a fost redus prin reducerea conținutului de grafit din miez și creșterea îmbogățirii combustibilului cu nuclid 235U la 2,4%. Timpul de răspuns al protecției a fost redus de la 18 - 20 la 10 - 12 s. Au fost instalate tije absorbante suplimentare. O protecție rapidă de urgență (BAZ) a fost dezvoltată și testată la două unități ale centralelor nucleare Leningrad și Ignalina, asigurând introducerea tijelor absorbante în miez în 2 - 2,5 s. Sisteme similare BAZ au fost implementate din 1989 la toate unitățile de putere care funcționează cu reactoare cu canal.
După cum arată o analiză cuprinzătoare efectuată de experți, niciunul dintre deficiențele reactoarelor RBMK care au apărut în timpul accidentului de la Unitatea IV a centralei nucleare de la Cernobîl nu este inamovibil în reactoarele cu canal nuclear apă-grafit și nu sunt inerente reactoarelor de acest tip.
Tipurile de reactoare considerate funcționează pe neutroni termici și folosesc 235U ca nuclid fisionabil (al cărui conținut în uraniu natural este de aproximativ 0,7%). Perspectivele dezvoltării energiei nucleare sunt asociate cu construcția de reactoare cu neutroni rapizi, a căror introducere în funcționare pe scară largă va face posibilă utilizarea materiei prime nuclidul 238U. În URSS, în 1973, a fost lansat primul mare reactor de putere cu neutroni rapidi BN-350 (Fig. B.4) cu o putere electrică de 150 MW; în cel de-al 10-lea plan cincinal, reactorul BN-600 cu o putere electrică. a fost lansată o putere de 600 MW (CNE Beloyarsk). Instalatiile sunt realizate dupa o schema cu trei circuite. Sodiul lichid este utilizat ca agent de răcire primar în reactoare. Utilizarea pe scară largă a unor astfel de reactoare la centralele nucleare poate fi de așteptat până la sfârșitul acestui secol - la începutul următorului. Reactoarele de alte tipuri - neutroni rapidi și termici cu un lichid de răcire cu gaz, neutroni termici cu un lichid de răcire organic, reactoare apă-apă cu lichid de răcire în fierbere (răspândite în străinătate) etc. - nu au fost răspândite în industria energiei nucleare a URSS.
Să enumerăm principalele tendințe observate în energia nucleară staționară până în prezent.
Orez. LA 5. Creșterea puterii electrice unitare a unităților de putere la centralele nucleare din URSS:
K1 - Prima CNE K2 - Blocul I al CNE din Siberia: KZ - blocul II al CNE Beloyarsk K4 - blocul I al CNE Leningrad Kb - blocul I al CNE Ignalina Bl, V2, VZ, V4 - respectiv I, II, Blocurile III și V ale CNE Novovoronezh B1 - BN-350 din Shevchenko: B2 - BN-600, Unitatea III la CNE Beloyarsk
1. Creșterea capacității unitare a unităților centrale nucleare. Astfel, puterea reactoarelor cu canal a crescut de la 5 MW la Prima CNE la 1000 MW la CNE Leningrad, Kursk, Cernobîl, Smolensk și până la 1500 MW la CNE Ignalina (Fig. B.5). Puterea atât a VVER, cât și a reactoarelor cu neutroni rapidi este în creștere. Odată cu creșterea puterii unității, puterea unitară a echipamentelor incluse în aceasta crește - generatoare de abur în unități cu dublu circuit, unități cu turbine cu abur (puterea turbinelor cu abur la centralele nucleare este de 500 și 1000 MW), echipamente de pompare etc. Se discută posibilitatea și fezabilitatea creșterii în continuare a puterii unitare a unităților de putere. Nu există încă soluții clare și evidente în această problemă.
2. Creșterea puterii centralelor nucleare. Capacitățile instalate ale centralelor nucleare ajung deja la 4000 MW (CNE Leningrad - patru unități de câte 1000 MW fiecare). Capacitatea de proiectare a unui număr de alte stații este de 4000 - 6000 MW.
3. Cresterea parametrilor lichidului de racire primar si a parametrilor aburului din fata turbinei. Acest lucru se vede în mod deosebit în exemplul dezvoltării unităților la CNE Novovoronezh (Fig. B.6).
4. Datorită creșterii rapide a ponderii centralelor nucleare în sistemul energetic, cerințele pentru manevrabilitatea acestora cu capacitatea de a modifica sarcina în intervalul de la 100 la 50% sunt în creștere.
Marea majoritate a centralelor nucleare funcționează în prezent cu abur saturat. La CNE Beloyarsk, pentru prima dată în lume, a fost efectuată supraîncălzirea nucleară a aburului la 783 K, ceea ce a făcut posibilă obținerea unui randament ridicat (~37%). La dezvoltarea reactoarelor cu canal RBMK-YOO de nouă generație, creatorii lor au abandonat temporar supraîncălzirea cu abur. Se deschid perspective largi de utilizare a aburului supraîncălzit odată cu utilizarea reactoarelor cu neutroni rapidi cu metal lichid ca agent de răcire. Datorită temperaturii ridicate a sodiului la ieșirea din reactor, se poate obține abur supraîncălzit de parametri înalți.
Odată cu dezvoltarea energiei nucleare, a început să se atragă din ce în ce mai multă atenție asupra utilizării reactoarelor de putere în scopuri de termoficare.

Căldura de la stațiile de condensare a fost folosită de mult timp pentru a furniza căldură satelor din apropierea centralelor nucleare.
Cea mai eficientă din punct de vedere economic este producția combinată de căldură și energie electrică la ATPP. Dar acest lucru va necesita apropierea de marile centre industriale. În prezent, se consideră rațională amplasarea centralelor nucleare la o distanță de 20 - 40 km de orașele mari. În 1973, a fost pus în funcțiune Bilibino ATPP. Pe acesta au fost construite patru unități de încălzire bazate pe reactoare de tip canal cu o putere electrică totală de 48 MW cu o putere termică totală de aproximativ 100 Gcalch (116,3 MW). Experiența de exploatare de succes indică posibilitatea de a crea centrale nucleare de mică putere fiabile și rentabile.
ACT sunt concepute pentru a produce numai abur cu parametri redusi și apa fierbinte. În acest sens, parametrii (presiune, temperatură) ai circuitului de funcționare al instalației reactorului în sine sunt reduse, ceea ce reduce costul acesteia și simplifică măsurile de siguranță, permițând aducerea ACT mai aproape de consumatorii de căldură. În prezent, primele ACT mari sunt construite în Gorki și Voronezh cu reactoare răcite cu apă cu o capacitate termică de 500 MW. Sistemele care limitează dezvoltarea unui accident și localizează consecințele acestuia vor fi construite complet pe un principiu pasiv.
Energia nucleară staționară este unul dintre principalele domenii de utilizare a centralelor nucleare. O altă direcție este utilizarea
Orez. LA 7. Panou de control pentru centrala electrică a spărgătoarelor de gheață cu propulsie nucleară „Lenin”
utilizarea centralelor nucleare pe nave navale. Utilizarea centralelor nucleare face posibilă conferirea navelor de calități care nu sunt atinse atunci când funcționează cu combustibili fosili. În primul rând, aceasta este o gamă de croazieră aproape nelimitată atunci când funcționează la putere mare și autonomie pe termen lung. Aceste calități sunt deosebit de importante pentru spărgătorul de gheață. Spărgătoarele de gheață nucleare, fără a necesita reaprovizionare cu combustibil, pot funcționa fără a părăsi traseul pe toată durata navigației.
În țara noastră, din 1959, funcționează primul spărgător de gheață cu propulsie nucleară din lume „Lenin” (Fig. B.7). În 1975, a fost pus în funcțiune spărgătorul de gheață cu propulsie nucleară „Arktika”, care a deschis o serie de spărgătoare de gheață cu propulsie nucleară de acest tip (spărgătoare de gheață cu propulsie nucleară „Sibir”, „Rusia”, „ Uniunea Sovietică"). Operarea cu succes a navelor sovietice cu propulsie nucleară a demonstrat în mod clar avantajele flotei de spărgătoare de gheață cu propulsie nucleară. Spărgătorul de gheață Arktika a devenit primul vas de suprafață care a ajuns la Polul Nord.
În tabel B.1 sunt date caracteristici comparative spărgătoare de gheață nucleare și diesel de aproximativ aceeași perioadă de construcție.
Datele prezentate arată avantajul spărgătoarelor de gheață nucleare atât în ceea ce privește puterea centralei, viteza, cât și forța specifică.
În 1986, primul transportator de containere ușoare cu propulsie nucleară „Sevmorput” cu o capacitate de
29,5 MW (40.000 CP) cu o viteză de 20 de noduri. Nava cu propulsie nucleară ia la bord 74 de brichete, fiecare dintre ele capabilă să transporte 350 de tone de marfă. Vasul se caracterizează printr-un grad ridicat de siguranță. Centrala nu va fi avariată, de exemplu, dacă se ciocnește de o altă navă sau cade pe puntea unei aeronave.
Centralele nucleare sunt utilizate pe scară largă pe marinele țărilor foarte dezvoltate ale lumii. Potrivit datelor presei străine, la începutul anilor 80, Marina SUA singura opera peste 120 de submarine și peste 10 nave de suprafață.
Un domeniu promițător de utilizare pentru centralele nucleare este tehnologia spațială. În viitorul apropiat, va fi necesară o putere de zeci, sute și mii de kilowați la bordul obiectelor spațiale cu o durată de viață de 1 an sau mai mult. O astfel de furnizare de energie este posibilă numai cu utilizarea centralelor nucleare, deoarece puterea surselor chimice și a panourilor solare utilizate în prezent este insuficientă.
În Uniunea Sovietică, pentru prima dată în lume, a fost dezvoltată, creată și testată centrala nucleară Topaz cu o putere de 7 - 10 kW, în care conversia fără mașini a energiei termice în energie electrică a fost realizată direct într-un reactor nuclear.
Centralele nucleare sunt folosite pe unii sateliți artificiali Pământeni din seria Cosmos. De exemplu, conform TASS, Kosmos-1402 a fost echipat cu o astfel de instalație.
O prezentare a elementelor fundamentale de calcul și proiectare a echipamentelor principale și auxiliare, cu excepția reactorului în sine, a centralelor nucleare pentru diverse scopuri este sarcina principala din acest tutorial.

Prima parte
ASPECTE GENERALE ÎN PROIECTAREA INSTALATIILOR DE ENERGIE NUCLEARĂ

Capitolul 1
DIAGRAME ȘI COMPOZIȚIA ECHIPAMENTULUI
INSTALATII DE ENERGIE NUCLARA

1.1. DIAGRAME DE CIRCUIT
Energia eliberată ca urmare a fisiunii nucleare elemente grele, este îndepărtat din reactor sub formă de căldură. În continuare, energia termică este transformată într-un alt tip de energie necesar consumatorului extern. Un ansamblu de echipamente care asigură funcționarea unui reactor nuclear, îndepărtarea energiei termice din reactor și conversia acesteia într-un alt tip de energie constituie o centrală nucleară (CNE).
Toți consumatorii în funcție de tipul de energie utilizată pot fi împărțiți în trei grupe: 1) consumatori de energie termică
2) consumatori de energie mecanică 3) consumatori de energie electrică. Centralele nucleare pot fi, de asemenea, împărțite în grupuri similare. In instalatiile din prima grupa se furnizeaza energie termica consumatorului. Aceasta include, de exemplu, Stații atomice furnizare de căldură (ACT), instalații de desalinizare termică, tehnologie energetică.
Instalațiile din grupa a doua utilizează energie mecanică. Acestea includ motoarele de transport și rachete. De exemplu, pe nave, o unitate de turbină transformă energia termică în energie mecanică, care este transmisă elicelor folosind o transmisie mecanică.
În instalațiile din grupa a treia, energia electrică este furnizată consumatorului. Acestea sunt în primul rând centrale nucleare, precum și instalații de transport cu acționare sau propulsie electrică (de exemplu, motoare cu reacție electrice).
Energie termalăîndepărtat din reactor folosind un mediu special numit lichid de răcire. Apa și vaporii de apă, metalele lichide, diverse gaze (inerte sau disociante) și lichidele organice sunt folosite ca agenți de răcire în energia nucleară. Alegerea lichidului de răcire este determinată de tipul de reactor și de temperatura specificată a lichidului de răcire.
Unitățile din primul grup sunt conectate la un consumator extern printr-un schimbător de căldură final. În consecință, o centrală nucleară de primul tip include un reactor nuclear și un schimbător de căldură la capăt (Fig. 1.1, a). Ele sunt conectate între ele printr-un sistem de conducte. Lichidul de răcire este mutat de la reactor la schimbătorul de căldură și înapoi de un circulator. Ca acesta din urmă, în funcție de proprietățile lichidului de răcire și de parametrii acestuia, puteți utiliza pompe, suflante de gaz și compresoare.
În fig. 1.1a prezintă o instalație cu un singur circuit. Caracteristica sa distinctivă este că căldura este îndepărtată din reactor și transferată la schimbătorul de căldură final folosind același agent de răcire (își poate schimba starea de fază, de exemplu, se evaporă în timpul fierberii în reactor și se condensează în schimbătorul de căldură final). Principalul avantaj al instalațiilor cu un singur circuit este simplitatea circuitului termic. Cu toate acestea, lichidul de răcire care părăsește reactorul poate avea o activitate indusă mare și, în unele cazuri, poate conține produse de fisiune radioactivă. Prin urmare, întregul circuit, inclusiv schimbătorul de căldură final, trebuie să aibă o protecție biologică fiabilă. În schimbătorul de căldură final, energia termică este transferată către consumator direct din lichidul de răcire radioactiv. În principiu, există posibilitatea ca produse radioactive să pătrundă în mediul de lucru al consumatorului în cazul deseigilarii schimbătorului de căldură. Prin urmare, instalațiile cu un singur circuit nu pot fi utilizate în cazurile în care trebuie exclusă în principiu posibilitatea contaminării radioactive, inclusiv în situații de urgență. Din acest punct de vedere, condițiile în instalațiile cu mai multe circuite sunt mai favorabile.
În fig. 1.1.6 dat schema circuitului instalare cu dublu circuit. A ei trăsătură distinctivă constă în faptul că căldura este îndepărtată din reactor și transferată către un consumator extern folosind doi agenți de răcire diferiți care nu sunt în contact direct. Transferul de căldură de la un lichid de răcire la altul are loc într-un schimbător de căldură intermediar (HE). Reactorul și PT-ul cu sistemul de conducte formează primul circuit închis, iar PT-ul, schimbătorul de căldură la capăt și conductele formează al doilea. Fiecare circuit are propriul său circulator. Între primul PT și schimbătorul de căldură final se poate conecta un alt PT, separând încă o dată lichidul de răcire, atunci centrala nucleară este una cu trei circuite.
Circuitul cu mai multe circuite elimină practic contactul lichidului de răcire radioactiv cu mediul de lucru al consumatorului. În plus, într-o instalație cu mai multe circuite, lichidele de răcire pentru primul și următoarele circuite pot fi selectate cu diferite proprietăți optime pentru funcționarea în reactor și în schimbătorul de căldură final. Proiectarea unei centrale nucleare cu mai multe circuite este mai complexă decât o centrală nucleară cu un singur circuit, deoarece sunt necesare echipamente suplimentare: PT, circulatoare, conducte etc.
În instalațiile din a doua grupă, energia mecanică este dată consumatorului. În fig. 1.2, a, c prezintă diagrame schematice ale unităților de transport cu un singur și dublu circuit cu turbine cu abur cu un turbo-reductor (TPA). Într-o instalație cu un singur circuit, în reactor se produce abur saturat sau supraîncălzit. Aburul intră în partea de curgere a turbinei, unde, atunci când se extinde, energia termică este convertită în energie mecanică (cinetică) a fluxului de abur, care rotește rotorul turbinei, energia sa de rotație este transmisă prin cutia de viteze către elicele navei. Turbina și cutia de viteze formează TPA. Aburul care iese din turbină este condensat într-un condensator, iar condensul este returnat în reactor cu ajutorul unei pompe (circulator). Mediul folosit pentru a transforma energia termică în energie mecanică este de obicei numit fluid de lucru. Astfel, într-o instalație cu un singur circuit, același mediu este atât lichidul de răcire, cât și fluidul de lucru. Și aceste concepte sunt echivalente. În instalațiile cu dublu circuit (multicircuit) care funcționează într-un ciclu de turbină cu abur, aburul este generat într-un generator special de abur 7 (Fig. 1.2, c).
Orez. 1.2. Centrale nucleare cu un singur circuit (c, b) și cu dublu circuit (c) pentru consumatorii de energie mecanică:
- reactor nuclear 2 - turbină 3 - condensator 4 - circulator 5 - rezervor b - duză 7 - generator de abur 8, 9 - circulatoare ale circuitelor primare și secundare
Generatorul de abur este încălzit de lichidul de răcire primar într-un mod similar cu instalațiile discutate anterior pentru consumatorii de energie termică.
În instalațiile cu turbine cu gaz cu un singur circuit (GTU) și în al doilea circuit al instalațiilor cu turbine cu gaz cu circuit dublu, gazele necondensabile, cum ar fi heliul, sunt utilizate ca fluid de lucru. Diagramele schematice sunt similare cu cele cu un ciclu de turbină cu abur, dar echipamentul este proiectat să funcționeze pe gaz. TZA include o turbină cu gaz, un răcitor de capăt este utilizat în loc de condensator, un compresor joacă rolul unui circulator și, în loc de un generator de abur într-un circuit cu dublu circuit, trebuie folosit un schimbător de căldură pentru a încălzi gazul.
Instalațiile din a doua grupă includ și motoarele de rachete nucleare cu propulsie cu reacție (Fig. 1.2,6). Fluidul de lucru din rezervor este alimentat printr-un circulator într-un reactor nuclear, unde este gazeificat și „încălzit la temperaturi semnificative (2500 - 3000 K). La ieșirea din reactor, fluidul de lucru se extinde într-o duză supersonică, în timp ce energia termică este transformată în energie cinetică a fluxului. Debitul părăsește duza, formând tracțiune de rachetă. Pentru a antrena circulatorul, se folosește o parte din fluidul de lucru, care după reactor este trimisă la o turbină de antrenare specială.
În instalațiile din al treilea grup, energia termică este convertită în cele din urmă în energie electrică. Acestea pot fi împărțite în instalații: cu convertoare termoionice (TEC), cu un generator termoelectric (TEG), cu un generator magnetohidrodinamic (MHC), cu un generator electric de tip mașină.
Într-o instalație TEC, energia termică a reactorului este utilizată pentru încălzirea catodului. TEP poate fi fie la distanță (Fig. 1.3, a) fie construit într-un reactor nuclear. În acest din urmă caz vorbim de reactoare-generatoare. Utilizarea reactoarelor generatoare este una dintre cele direcții promițătoare energie nucleară, în special spațială. Cu toate acestea, în prezent au o durată de funcționare insuficientă și o eficiență relativ scăzută (aproximativ 10 - 15%).
În instalațiile cu TEG, energia termică a reactorului este utilizată pentru încălzirea joncțiunilor fierbinți ale electrozilor diferiți (Fig. 1.3,6). Într-un circuit care conține joncțiuni calde și reci ale conductorilor diferiți, apare un curent electric, care este dat consumatorului. La fel ca TEC, TEG poate fi la distanță sau încorporat în reactor. Domeniul principal de aplicare a TEG-urilor sunt instalațiile spațiale de putere redusă (eficiența obținută nu depășește 3%). În instalațiile cu generator MHD se folosește fenomenul de excitare a curentului electric atunci când un conductor se mișcă într-un câmp magnetic, în timp ce rolul conductorului este jucat de unul încălzit în reactor la temperaturi mari flux de gaz ionizat. În reactor (Fig. 1.3c), gazul este încălzit la o temperatură de ~3000 K, iar aditivii ionizanți sunt introduși în fluidul de lucru pentru a crește gradul de ionizare. La ieșirea din generatorul MHD, gazul este returnat în reactor printr-un circulator. Până în prezent, problema utilizării industriale a instalațiilor cu generator MHD nu poate fi considerată rezolvată. Principalele lor dezavantaje sunt randamentul relativ scăzut (~10%) și volumul echipamentului.
Principala modalitate de a obține energie electrică într-o centrală nucleară este utilizarea generatoarelor electrice de tip mașină cu acționare mecanică de la o turbină cu abur sau mai rar de la o turbină cu gaz.
Energia termică a lichidului de răcire în partea de curgere turbină cu abur atunci când se extinde, este transformată în energie mecanică (cinetică) a fluxului de abur, care este folosită pentru a roti rotorul turbinei generatorului electric. Aburul evacuat din spatele turbinei este condensat și returnat sub formă de apă de alimentare către reactor (schema cu un singur circuit, Fig. 1.3,d) sau către generatorul de abur (schema cu dublu circuit, Fig. 1.3,2).
Într-o instalație de turbină cu gaz cu un singur circuit, gaz (heliu, dioxid de carbon etc.) este încălzit în reactor și trimis la turbina cu gaz, unde, atunci când se extinde, energia mecanică este eliberată și transferată rotorului turbinei. La ieșirea din turbină, gazul este răcit în regenerativ-22
schimbătorul de căldură și răcitorul final și intră în compresor, unde este comprimat la o presiune dată. După compresor, gazul, care trece printr-un schimbător de căldură regenerativ, este încălzit prin răcirea gazului care iese din turbină și intră în miezul reactorului pentru încălzire. Energia mecanică de rotație a rotorului turbinei cu gaz este utilizată parțial pentru a antrena compresorul și, în principal, este folosită pentru a antrena generatorul electric. În instalațiile reale, compresorul și generatorul sunt adesea antrenate de diferite turbine.
Schema de circuit considerată se referă la o unitate de turbină cu gaz cu ciclu închis. În energia tradițională, cel mai obișnuit este un ciclu deschis care utilizează produse de ardere a combustibilului în aer ca fluid de lucru. În acest caz, gazele de evacuare după turbină sunt evacuate în atmosferă și aerul proaspăt este aspirat din atmosferă în compresor. În centralele nucleare cu un singur circuit, un ciclu deschis este inacceptabil din cauza condițiilor de siguranță a radiațiilor. În instalațiile cu mai multe circuite, gazul este încălzit într-un schimbător de căldură intermediar, astfel încât se poate folosi și un ciclu deschis.
Turbinele cu gaz devin competitive cu instalațiile cu turbine cu abur atunci când folosesc gaz cu o temperatură în fața turbinei de peste 1100 K. Astfel de temperaturi sunt doar stăpânite în reactoarele nucleare.
Toate tipurile de instalații luate în considerare includ un reactor nuclear - o sursă de energie, echipamente de schimb de căldură pentru transferul căldurii de la un lichid de răcire la altul sau un consumator extern, conectarea comunicațiilor (conducte) și mașini pentru diverse scopuri (circulatoare - mașini-unelte pentru transferul de energie). la lichidul de răcire sau fluidul de lucru și la mașini cu motor pentru transformarea energiei termice mediu de lucru la mecanic).
Condițiile de funcționare ale instalațiilor și cerințele pentru acestea variază semnificativ în funcție de scop. Astfel, pentru centralele nucleare staționare, principalele cerințe sunt fiabilitatea și eficiența ridicată în timpul funcționării pe termen lung (durată de viață proiectată 30 de ani). Pentru instalațiile navelor, pe lângă cerințele specificate, raportul dintre greutate și dimensiune a echipamentului și asigurarea funcționării în siguranță a echipamentului în volumele limitate ale navei devin esențiale. Durata de viață de proiectare poate fi redusă și există o cerință pentru o manevrabilitate ridicată a instalației. Pentru centralele nucleare spațiale, menținând în același timp cerințele de fiabilitate și eficiență, apar cerințe și mai stricte pentru raporturile de greutate și dimensiune cu o durată de viață relativ scurtă, precum și pentru stabilitatea la sarcini mecanice mari. Mai jos ne vom opri mai detaliat asupra compoziției și condițiilor de funcționare necesare a echipamentelor principale ale centralelor nucleare staționare, navale și spațiale.
SFÂRȘITUL CĂRȚILOR PARAGMEHTA

Principiul de funcționare și proiectare a reactoarelor de putere sub presiune.

Centrale nucleare (CNE).În prezent, problema utilizării pe scară largă a combustibilului nuclear în centralele electrice de nave devine din ce în ce mai relevantă. Interesul pentru navele cu centrale nucleare a crescut în special în 1973-1974, când, ca urmare a crizei energetice globale, prețurile la combustibilii fosili au crescut brusc. Principalul avantaj al navelor cu centrale nucleare este raza lor de croazieră practic nelimitată, ceea ce este foarte important pentru spărgătoare de gheață, nave arctice, nave de cercetare, nave hidrografice etc.

Consumul zilnic de combustibil nuclear nu depășește câteva zeci de grame, iar elementele de combustibil din reactor pot fi schimbate o dată la doi până la patru ani. CNE la nave de transport, în special pe cele care fac călătorii pe distanțe lungi la viteză mare, vă permite să creșteți semnificativ capacitatea de transport a navei datorită absenței aproape completă a rezervelor de combustibil (aceasta oferă un câștig mai mare decât pierderile din cauza masei semnificative a centralei nucleare). ). În plus, centrala nucleară poate funcționa fără acces aerian, ceea ce este foarte important pentru navele subacvatice. Cu toate acestea, combustibilul consumat de centralele nucleare este încă foarte scump. În plus, pe navele cu centrale nucleare este necesar să se asigure o protecție biologică specială împotriva radiațiilor radioactive, ceea ce face instalația mai grea. Trebuie să presupunem că progresul în dezvoltarea tehnologiei nucleare și în crearea de noi proiecte și materiale vor face posibilă eliminarea treptată a acestor deficiențe ale centralelor nucleare de nave.

Toate centralele nucleare moderne de nave folosesc căldura eliberată în timpul fisiunii combustibilului nuclear pentru a forma abur sau gaze de căldură, care apoi intră în abur sau turbina de gaz. Veriga principală a centralei nucleare de generare a aburului APPU reactor,în care are loc o reacție nucleară. Ca combustibil nuclear sunt folosite diverse substanțe fisionabile, în care procesul de fisiune nucleară este însoțit de eliberarea unei cantități mari de energie. Aceste substanțe includ izotopi de uraniu, plutoniu și toriu.

Orez. 6.1. Diagrama reactorului nuclear.

1- zona activa; 2 -- tije de uraniu; 3 - moderator; 4 - reflector; 5 - lichid de răcire; 6 - protectie biologica; 7 - scut termic; 8 - sistem de reglare

Cele mai importante elemente ale reactoarelor de nave sunt (Figura 6.2) zona activa,în care sunt amplasate tije de uraniu și un moderator, necesare pentru a absorbi energia particulelor de neutroni eliberate în timpul dezintegrarii nucleelor; reflector de neutroni, returnarea unei părți din neutronii emiși în afara miezului în miez; lichid de răcire pentru a elimina căldura eliberată în timpul fisiunii uraniului din miez și a transfera această căldură într-un alt fluid de lucru într-un schimbător de căldură; ecran de protecție biologică, prevenirea răspândirii radiațiilor dăunătoare din reactor; sistem de control și protecție, reglarea cursului reacției în reactor și oprirea acesteia în cazul unei creșteri de urgență a puterii.

Moderatorul în reactoarele nucleare este grafitul, apa grea și obișnuită, iar lichidul de răcire este metale lichide cu punct de topire scăzut (sodiu, potasiu, bismut), gaze (heliu, azot, dioxid de carbon, aer) sau apă.

Reactoarele în care atât moderatorul, cât și lichidul de răcire sunt apă distilată s-au răspândit în centralele nucleare de nave, de unde și numele lor. reactoare cu apă sub presiune. Aceste reactoare sunt mai simple ca design, mai compacte, mai fiabile în funcționare decât alte tipuri și mai ieftine. În funcție de metoda de transfer a energiei termice de la reactor la actuator (turbină), se disting schemele centralei nucleare cu un singur circuit, cu dublu și trei circuite.

De schema unui singur circuit(Fig. 6.2, A) substanța de lucru - aburul - se formează în reactor, de unde intră direct în turbină și din aceasta prin condensator cu ajutorul unei pompe de circulație revine în reactor.

De circuit cu dublu circuit(Fig. 6.2, b) Lichidul de răcire care circulă în reactor cedează căldura sa într-un schimbător de căldură - un generator de abur - apei, care formează abur, care intră în turbină. În acest caz, lichidul de răcire este trecut prin reactor și generatorul de abur de către o pompă de circulație sau o suflantă, iar condensul format în condensatorul turbinei este pompat de o pompă de condens prin sistemul de încălzire, filtrare și completare și din nou furnizat la generator de abur de către pompa de alimentare.

Schema cu trei circuite(Fig. 6.2, V) este un circuit cu dublu circuit cu un circuit intermediar suplimentar conectat între primul și al doilea circuit.

Proiectarea unui singur circuit necesită protecție biologică în jurul întregului circuit, inclusiv a turbinei, ceea ce complică întreținerea și controlul și crește pericolul pentru echipaj. Circuitul cu dublu circuit este mai sigur, deoarece aici al doilea circuit nu mai este periculos pentru eu echipajul. Prin urmare, circuitele cu circuit dublu sunt aproape întotdeauna folosite pe navele nucleare. Circuitele cu trei bucle sunt utilizate dacă lichidul de răcire din reactor este puternic activat și trebuie separat cu grijă de substanța de lucru, pentru care este proiectată bucla intermediară.

Orez. 6.2. Scheme termice ale centralelor nucleare:

A- un singur circuit; b- dublu circuit; V- trei circuite.

1 -reactor; 2 - turbina; 3 - condensator; 4 - pompă de circulație; 5 - generator de aburi; 6 - pompa de condens; 7 - sistem de incalzire de filtrare si reincarcare; 8 - pompe de alimentare; 9 - schimbător de căldură; 10 - protectie biologica

Principiul de funcționare și proiectarea reactoarelor de putere. Pe navele cu centrale nucleare, principala sursă de energie este un reactor nuclear. Căldura eliberată în timpul fisiunii combustibilului nuclear servește la generarea aburului, care apoi intră în turbina cu abur.

Instalația reactorului, ca un cazan convențional cu abur, conține pompe, schimbătoare de căldură și alte echipamente auxiliare. O caracteristică specială a unui reactor nuclear este radiația sa radioactivă, care necesită protecție specială pentru personalul de exploatare.

Siguranță. În jurul reactorului trebuie instalată o protecție biologică masivă. Materialele comune de protecție împotriva radiațiilor sunt betonul, plumbul, apa, materialele plastice și oțelul.

Există o problemă de depozitare a deșeurilor radioactive lichide și gazoase. Deșeurile lichide sunt depozitate în recipiente speciale, iar deșeurile gazoase sunt absorbite prin activare cărbune. Deșeurile sunt apoi transportate la țărm la unități de reciclare.

Nave reactoare nucleare. Elementele principale ale unui reactor nuclear sunt tijele cu material fisionabil (barele de combustibil), tijele de control, lichidul de răcire (lichidul de răcire), moderatorul și reflectorul. Aceste elemente sunt închise într-o carcasă etanșă și aranjate pentru a asigura o reacție nucleară controlată și îndepărtarea căldurii generate.

Combustibilul poate fi uraniu-235, plutoniu sau un amestec al ambelor; aceste elemente pot fi legate chimic cu alte elemente și pot fi în fază lichidă sau solidă. Pentru răcirea reactorului se utilizează apă grea sau ușoară, metale lichide, compuși organici sau gaze. Lichidul de răcire poate fi folosit pentru a transfera căldură către un alt fluid de lucru și pentru a produce abur sau poate fi utilizat direct pentru a roti turbina. Moderatorul servește la reducerea vitezei neutronilor produși la o valoare care este cea mai eficientă pentru reacția de fisiune. Reflectorul returnează neutronii în miez. Moderatorul și reflectorul sunt de obicei apă grea și ușoară, metale lichide, grafit și beriliu.

Pe toate navele navale, pe prima spărgător de gheață nuclear„Lenin”, pe prima navă de marfă și pasageri „Savanna” există centrale electrice realizate conform unei scheme cu dublu circuit. În circuitul primar al unui astfel de reactor, apa este sub presiune de până la 13 MPa și, prin urmare, nu fierbe la o temperatură de 270 0 C, obișnuită pentru calea de răcire a reactorului. Apa încălzită în circuitul primar servește ca lichid de răcire pentru producerea aburului în circuitul secundar.

Metalele lichide pot fi utilizate și în circuitul primar. Această schemă a fost folosită pe submarinul Sea Wolf al Marinei SUA, unde lichidul de răcire este un amestec de sodiu lichid și potasiu lichid. Presiunea în sistemul unei astfel de scheme este relativ scăzută.

Același avantaj poate fi realizat prin utilizarea substanțelor organice asemănătoare parafinei - bifenili și trifenili - ca lichid de răcire. În primul caz, dezavantajul este problema coroziunii, iar în al doilea, formarea depunerilor rășinoase.

Există scheme cu un singur circuit în care fluidul de lucru, încălzit în reactor, circulă între acesta și motorul principal. Reactoarele răcite cu gaz funcționează folosind un design cu un singur circuit. Fluidul de lucru este un gaz, de exemplu heliu, care este încălzit într-un reactor și apoi rotește o turbină cu gaz.

Protecţie. Funcția sa principală este de a proteja echipajul și echipamentul de radiațiile emise de reactor și de alte elemente care vin în contact cu substanțele radioactive. Această radiație este împărțită în două categorii: neutroni, eliberați în timpul fisiunii nucleare și radiații gamma, produse în miez și în materialele activate.

În general, navele au două obuze de izolare. Primul este situat direct în jurul vasului reactorului. Protecția secundară (biologică) acoperă echipamentele de generare a aburului, sistemele de curățare și containerele de deșeuri. Scutul primar absoarbe majoritatea neutronilor reactorului și radiațiile gamma. Acest lucru reduce radioactivitatea echipamentului auxiliar al reactorului.

Protecția primară poate fi un rezervor etanș cu dublă carcasă, cu un spațiu între carcase umplute cu apă și un scut exterior de plumb de 2 până la 10 cm grosime.Apa absoarbe majoritatea neutronilor, iar radiația gamma este parțial absorbită de pereții carcasei, apă și plumb.

Funcția principală a protecției secundare este de a reduce radiația izotopului de azot radioactiv 16N, care se formează în lichidul de răcire care trece prin reactor. Pentru protectia secundara se folosesc recipiente de apa, beton, plumb si polietilena.

Eficiența navelor cu centrale nucleare. Pentru navele de război, costul construcției și costurile de exploatare sunt mai puțin importante decât avantajele unui interval de croazieră aproape nelimitat, putere și viteză mai mare a navelor, instalare compactă și reducerea personalului de întreținere. Aceste avantaje ale centralelor nucleare au dus la utilizarea lor pe scară largă pe submarine. Utilizarea energiei atomice pe spărgătoare de gheață este, de asemenea, justificată.

Întrebări de autotest:

Care este sursa de energie pentru centralele nucleare?

Ce este un rezervor sigilat cu dublu carcasă?