Атомные генераторы для дома
Мирный атом в каждый дом – миниатюрные атомные реакторы для всех
Что касается автономной электроэнергетики, то к этому все идет – население активно скупает ветряки и солнечные панели. Предприятия ищут способы рационального использования тепловой энергии от технологических процессов, строят собственные тепловые электростанции и тоже скупают солнечные панели с ветряками. Особо повернутые на «зеленых» технологиях даже планируют покрывать солнечными панелями крыши заводских цехов и ангаров.
В конечном итоге это оказывается дешевле, чем покупка необходимых энергетических мощностей из местных энергосетей. Однако, после чернобыльской аварии, все как-то забыли, что самым экологически чистым, дешевым и доступным способом получения тепловой и электрической энергии все равно остается энергия атома. И если на протяжении существования атомной промышленности электростанции с ядерными реакторами всегда ассоциировались с комплексами на гектары площади, огромными трубами и озерами для охлаждения, то целый ряд разработок последних лет призван сломать эти стереотипы.
Сразу несколько компаний заявили что выходят на рынок с «домашними» ядерными реакторами. Миниатюрные станции с размерами от гаражного бокса до небольшого двухэтажного здания готовы поставлять от 10 до 100 МВт в течение 10 лет без дозаправки. Реакторы полностью автономны, безопасны, не требуют обслуживания и по истечении срока службы просто перезаряжаются еще на 10 лет. Чем не мечта для завода по производству утюгов или хозяйственного дачника? Рассмотрим более детально те из них, продажа которых начнется в ближайшие годы.
Toshiba 4S (Super Safe, Small and Simple)
Реактор сконструирован по типу батарейки. Предполагается что такая «батарейка» будет закопана в шахту глубиной 30 метров, а здание над ней будет иметь размеры 221611 метров. Не многим больше хорошего загородного дома? Такой станции понадобится обслуживающий персонал, но это все равно не идет в сравнение с десятками тысяч квадратных метров площади и сотнями рабочих на традиционных АЭС. Номинальная мощность комплекса – 10 мегаватт в течение 30 лет без дозаправки.
Реактор работает на быстрых нейтронах. Подобный реактор установлен и действует с 1980 года на Белоярской АЭС в Свердловской области России (реактор БН-600). Принцип действия описан здесь. В японской установке в качестве охлаждающей жидкости использован расплав натрия. Это позволяет работать поднять температуру работы реактора на 200 градусов Цельсия по сравнению с водой и при обычном давлении. Применение воды в таком качестве дало бы рост давления в системе в сотни раз.
Самое важное – стоимость выработки 1 кВт час для данной установки ожидается на уровне от 5 до 13 центов. Разброс обусловлен особенностями национального налогообложения, разной стоимостью переработки ядерных отходов и стоимостью введения в выведения из эксплуатации самой станции.
Первым заказчиком «батарейки» от Toshiba похоже выступит небольшой городок Galena штат Аляска в США. В настоящее время идет согласование разрешительной документации с американскими правительственными агентствами. Партнером компании в США выступает известная нам компания Westinghouse, впервые поставившая на украинскую АЭС топливные сборки альтернативные российским ТВЭЛ.
Эти американские ребята похоже первыми выйдут на коммерческий рынок миниатюрных ядерных реакторов. Компания предлагает установки от 70 до 25 мегаватт стоимостью примерно по $25-30 миллионов за штуку. Ядерные установки Hyperion могут использоваться как для генерации электроэнергии так и для отопления. Состоянием на начало 2010 года уже поступило более 100 заказов на станции разной мощности, при чем как от частных лиц, так и от государственных компаний. Планируется даже вынести производство готовых модулей за пределы США, построив заводы в Азии и Западной Европе.
Реактор работает на том же принципе, что и большинство современных реакторов в атомных электростанциях. Читать здесь. Наиболее близкими по принципу действия являются самые распространенные российские реакторы типа ВВЭР и силовые установки, применяемы на атомных подводных лодках проекта 705 «Лира» (NATO – “Alfa”). Американский реактор практически является сухопутной версией реакторов, устанавливаемы на указанных АПЛ, кстати – самых быстрых подводных лодок своего времени.
В качестве топлива используется нитрид урана, который имеет более высокую теплопроводность по сравнению с традиционным для реакторов ВВЭР керамическим оксидом урана. Это позволяет работать при температуре на 250-300 градусов Цельсия выше, чем водо-водяные установки, что повышает эффективность работы паровых турбин элеткрогенераторов. Здесь все просто – чем выше температура реактора, тем выше температура пара и, как следствие, выше КПД паровой турбины.
В качестве охлаждающей «жидкости» используется свинцово-висмутовый расплав, аналогичный таковому на советских АПЛ. Расплав проходит через три теплообменных контура, снижая температуру с 500 градусов Цельсия до 480. Рабочим телом для турбины могут служить как водяной пар так и перегретый углекислый газ.
Установка с топливом и системой охлаждения имеет массу всего в 20 тонн и рассчитана на 10 лет работы на номинальной мощности в 70 мегаватт без дозаправки. Впечатляют действительно миниатюрные размеры – реактор имеет всего 2.5 метра в высоту и 1.5 метра в ширину! Вся система может перевозиться на грузовиках или железнодорожным транспортом, являясь абсолютным коммерческим мировым рекордсменом по соотношению мощностьмобильность.
По приезду на место, «бочка» с реактором просто закапывается. Доступ к ней или какое-либо обслуживание не предполагается вообще. По истечении гарантийного срока сборка выкапывается и отправляется на завод производителя для перезаправки. Особенности свинцово-висмутового охлаждения дают огромное преимущество в безопасности – не возможен перегрев и взрыв (не растет давление с ростом температуры). Также, при охлаждении сплав застывает, а сам реактор превращается в изолированную толстым слоем свинца железную болванку, не боящуюся механических воздействий. Кстати, именно невозможность работы на малых мощностях (в следствие застывания охлаждающего сплава и автоматического отключения), явилась причиной отказа от дальнейшего использования свинцово-висмутовых установок на АПЛ. По этой же причине – это самые безопасные реакторы из всех, когда либо устанавливавшихся на АПЛ всех стран.
Изначально миниатюрные атомные электростанции разрабатывались компанией Hyperion Power Generation для нужд добывающей промышленности, а именно для переработки горючих сланцев в синтетическую нефть. Оценочные запасы синтетической нефти в горючих сланцах, доступных для переработки имеющимися на сегодня технологиями оценивается в 2.8.-3.3 триллиона баррелей. Для сравнения – запасы «жидкой» нефти в скважинах оцениваются всего в 1.2 триллиона баррелей. Однако процесс переработки сланцев в нефть требует их нагрева с последующим улавливанием испарений, которые затем конденсируются в нефть и побочные продукты. Понятно, что для нагрева нужно где-то брать энергию. По этой причине добыча нефти из сланцев считается экономически нецелесообразной по сравнению с ее импортом у стран ОПЕК. Так что будущее своего продукта компания видит в разных сферах применения.
Например, в качестве мобильной электростанции для нужд военных баз и аэродромов. Здесь тоже интересные перспективы. Так, при ведении мобильных боевых действий, когда войска действуют из так называемых опорных пунктов в определенных регионах, эти станции могли бы питать инфраструктуру «баз». Прямо как в компьютерных стратегиях. С той лишь разницей, что когда задача в регионе выполнена, электростанцию грузят в транспортное средство (самолет, грузовой вертолет, грузовые автомобили, поезд, корабль) и увозят на новое место.
Другое применение в военной сфере – стационарное питание постоянных военных баз и аэродромов. При авиа налете или ракетном ударе база с подземной атомной электростанцией, не требующей обслуживающего персонала, с большей вероятностью сохранит боеспособность. Таким же образом можно питать группы объектов социальной инфраструктуры – системы вобоснабжения городов, административных объектов, больниц.
Ну и промышленно-гражданское применение – системы электропитания небольших городов и поселков, отдельных предприятий или их групп, системы отопления. Ведь эти установки прежде всего вырабатывают тепловую энергию и в холодных регионах планеты могут составить ядро централизованных систем отопления. Так же перспективным компания считает применение таких мобильных электростанций на опреснительных установках в развивающихся странах.
SSTAR (small, sealed, transportable, autonomous reactor)
Маленький, запечатанный, передвижной автономный реактор – проект, разрабатываемый в Lawrence Livermore National Laboratory, США. По принципу действия схож с Hyperion, только в качестве топлива использует Уран-235. Должен иметь срок годности в 30 лет при мощности от 10 до 100 мегаватт.
Размеры должны составлять 15 метров в высоту и 3 в ширину при весе реактора в 200 тонн. Эта установка изначально рассчитывается для применения в недоразвитых странах по схеме лизинга. Таким образом, повышенное внимание уделяется невозможности разобрать конструкцию и извлечь из нее что-либо ценное. Ценное – это уран-238 и оружейный плутоний, которые вырабатываются по мере истечения срока годности.
Малые реакторы как альтернатива современным энергетическим реакторным установкам
Малые модульные реакторы – одно из самых популярных направлений развития атомной энергетики и реакторных технологий.
За 70 лет существования ядерные энергетические реакторы заняли прочную позицию в мировом балансе производства электроэнергии. Их мощность увеличилась с нескольких мегаватт до почти двух гигаватт (хотя были проекты и крупнее).
Современная атомная электрическая станция – не только энергоблок, где присутствует реакторная установка и турбогенератор. Это ориентированное скопление цехов и производств, служащих для обеспечения работы столь мощного агрегата на должном уровне. Вдумайтесь: на любой АЭС существует не только большое количество систем безопасности (которые, кстати, подчиняются принципу резервирования) но и систем обеспечения и поддержки этих систем безопасности. Про количество и разнообразие систем для нормальной эксплуатации просто молчу.
Численность персонала на таких объектах составляет в среднем около 1000 человек на энергоблок. А если на площадке АЭС могут присутствовать дополнительные производства, к примеру, комплекс по переработке РАО, отдельное хранилище отработавшего топлива или даже опреснительная станция, то количество персонала только возрастет.
АЭС Брюс (Канада) — 6232 МВт (э). На фото видны цеха по производству тяжёлой воды.
Казалось бы, если станция экономически выгодна и генерирует большое количество электроэнергии, в чём же подвох?
У современных АЭС, как больших промышленных комплексов, есть существенные недостатки. Прежде всего это огромнейшие затраты на возведение такого комплекса. К примеру, стоимость строительства энергоблока №3 АЭС Олкилуото изменялась с 3 до 8,5 млрд. долларов (стоит учесть тот факт, что некоторые обеспечивающие цеха, и квалифицированный персонал на станции уже имеется). Для сравнения – стоимость БАК составила 6 млрд. долларов.
Для эксплуатации и обслуживания таких гигантов требуется не только эксплуатирующая организация, но и надзорный орган, большое количество институтов и научных центров по поддержке эксплуатации и безопасности.
Другая реальность
Параллельно с крупными энергетическими установками, развивались десятки установок для военных программ, к примеру, реакторы для подводных лодок (до 190 МВт) и исследовательские реакторы. Всё это дало толчок в будущем для развития малых реакторов.
Итак, что это? В определении МАГАТЭ, «малые» — реакторы электрической мощностью до 300 МВт, «средние» — до 700 МВт. Тем не менее, «SMR» используется чаще всего как акроним для «малого модульного реактора», предназначенный для серийного строительства, как альтернатива сложной конструкции «атомного острова» с его громоздкими помещениями и корпусами.
ММР – малые модульные реакторы – установки, разработанные с использованием интегральных технологий (реакторы с насосами (или без) и парогенераторами в одном корпусе), которые планируется изготавливать на заводах, используя при этом все экономические прелести серийного производства. Они могут быть построены независимо друг от друга или в виде модулей в большем комплексе, с добавлением мощности постепенно по мере необходимости.
Располагаться малые реакторы могут где угодно и как угодно.
Проект Flexblue – энергетический модуль, располагаемый под водой.
Российская военная экзотика – концепт.
Большинство ММР, если сравнивать с крупными реакторами, являются малообслуживаемыми. В частности, проекты таких реакторов предполагают более длительный интервал между перегрузками топлива (от 2 до 10 лет против 12–24 месяцев у больших энергоблоков) либо закладку топлива вообще на весь жизненный цикл – для этого необходимо периодически (раз в 10 и более лет) проводить замену компактного реакторного модуля.
Основные преимущества:
- Меньшая удельная мощность реакторной установки априори делает ее более безопасной, с точки зрения энергонапряженности (меньшая мощность – меньшее остаточное тепловыделение после останова). С точки зрения бэкенда – относительно низкие количества наработанных РАО.
- Энергоблоки данного типа менее зависимы от наличия возможности забора большого количества охлаждающей воды поблизости. Тем самым прекрасно подходят для работы в отдаленных уголках планеты (и не только), к примеру, генерируя энергию для добычи полезных ископаемых.
- Наличие достаточного количества пассивных систем безопасности. По-хорошему (в теории), данные системы решают основную аварийную проблему – потерю конечного потребителя тепла в случае аварии. На деле – хоть системы и пассивны, они так же нуждаются в постоянном надзоре и обслуживании. Но стоит признать большую устойчивость малых РУ к типичной ситуации – полной потере электропитания.
- Минимизация технически сложных строительно-монтажных работ с учетом специфики регионов возможного размещения. Минимальный объем обслуживания. Сокращение числа необходимого обслуживающего персонала на местах.
- Возможность существенного упрощения процедуры снятия с эксплуатации данных энергоблоков.
Слева на право: 1 – водо-водяной Westinghouse SMR. 2 – гелиевый HTMR-100. 3 – быстрый PRISM.
Поскольку большинство проектов ММР находятся на уровне концепта и требуют значительных НИОКР в будущем, дабы внести конкретику в моё повествование, остановлюсь на двух самых актуальных, уже готовых проектах.
1) NuScale (NuScale Power Inc., США)
Проект «NuScale Plant», ранее называвшийся MASLWR, представляет собой блок с водо-водяным реактором под давлением малой мощности – 45 МВт(эл).
Он был разработан совместно национальной инженерной лабораторией Айдахо и университетом штата Орегон (США). В 2007 году для коммерциализации проекта была создана компания «NuScale Power Inc.». Разработка проекта ведётся с 2000 года. Поскольку это модульный реактор — стандартно на площадке устанавливается 12 таких модулей.
Реакторное здание. Вид в разрезе.
Активная зона, парогенераторы и компенсатор давления находятся в пределах одного сосуда, циркуляционные насосы отсутствуют. Диаметр корпуса составляет 2,9 метра, высота 17,4 метра.
Теплоноситель, нагреваясь в активной зоне, двигается вверх, отдает тепло в парогенераторе, и по опускным каналам возвращается назад. Естественная циркуляция, да.
Активная зона набирается из тепловыделяющих сборок с красивым названием NuFuel-HTP2. По факту, схожая по дизайну с ТВС для западных блоков PWR, конструкция. Техническая спецификация на сборку для NRC вот. Перегрузку планируют производить каждые 24 месяца.
ТВС реактора NuScale. Кстати говоря, производства AREVA.
Картограмма загрузки активной зоны реактора NuScale.
Главной отличительной особенностью от схожих проектов является то, что корпус реактора дополнительно помещён в толстостенный металлический сосуд из нержавеющей стали. Вся эта конструкция находится в бассейне, полностью погруженная в воду. Система отвода остаточного тепловыделения состоит из двух независимых пассивных систем.
Системы планового и аварийного отвода тепла.
В конце 2016 года компания подала в американский регулятор заявку на получение лицензии. Это первая заявка на получение лицензии для SMR в США. Сей факт означает, что на данном этапе проект готов почти полностью, и имеет возможность стать вполне реальным, продаваемым продуктом.
2) CAREM-25 (CNEA, Аргентина)
Вероятно, читатель не ожидал увидеть эту страну в топе разработчиков ММР, но Аргентина сейчас находится ближе всех к эксплуатации 25-мегаваттного демонстрационного модульного реактора.
CAREM-25 представляет собой интегральный тип PWR, строительство которого началось в 2014 году по соседству с АЭС Атуча. Приятно удивляет то, что это аргентинская технология, и 70% оборудования и материалов планируется получать от местных производителей.
Проект разработан в качестве источника энергии для электроснабжения регионов с малым потреблением. Так же может быть использован для работы опреснительной установки.
Корпус реактора и основные системы безопасности.
Активная зона, гидравлические приводы органов регулирования, и двенадцать прямотрубных вертикальных парогенераторов (с перегревом пара) расположены в одном корпусе – по всем канонам модульности. В первом контуре – естественная циркуляция. Корпус реактора имеет диаметр 3,2 метра и высоту 11 метров. Активная зона набирается из 61 шестигранной (!) топливной кассеты.
ТВС реактора CAREM-25.
CAREM-25 содержит пассивные и простые активные системы безопасности. В проекте заложено, что при тяжёлой аварии активная зона остаётся неповреждённой в течение 36 часов без действия оператора и без внешнего электроснабжения. Ожидаемая частота повреждения активной зоны (ЧПАЗ)–10E-07 реактор/год.
Остановка цепной реакции деления производится с помощью двух независимых систем — стержнями СУЗ и системой впрыска бора в воду. При нормальных условиях эксплуатации бор не используется.
Отвод остаточного энерговыделения осуществляется пассивной системой PRHRS. Работает по принципу технологического конденсатора (isolation condenser). Конденсаторы PRHRS расположены в бассейне в верхней части контайнмента. Система обеспечивает отвод тепла от активной зоны в течение 36 часов.
Технологический конденсатор и бассейн системы PRHRS.
В проекте предусмотрена также пассивная аварийная система заливки воды в активную зону EIS в случае снижения давления в корпусе ниже уставки 1,5 МПа – при этом давлении рвётся предохранительная диафрагма, и в корпус заливается борированная вода из бака системы EIS. По-простому – гидроёмкости САОЗ.
Первая загрузка планируется в 2018.
К данному проекту есть большое количество вопросов. Например, надёжность 12-ти внутрикорпусных парогенераторов, возможность их осмотра и ремонта.
А так будет выглядить здание энергоблока снаружи.
Как вывод, стоит отметить, что малые реакторы позволят «подзарядить мотор» мирного атома и придать отрасли новые силы, а меньшая мощность, означающая более короткие сроки строительства, позволит снизить стоимость генерации и побороться с набирающими популярность ВИЭ.
В конце 2016 года был создан консорциум для реализации стратегической задачи – начать коммерческую эксплуатацию малых реакторов с середины 2020-х годов. В его состав входят следующие компании: AREVA, Bechtel, BWXT, Dominion, Duke Energy, Energy Northwest, Fluor, Holtec International, NuScale Power, Ontario Power Generation, PSEG, TVA и Utah Associated Municipal Power Systems. Как видим, присутствует несколько весомых игроков.
Так что о светлом будущем говорить пока рано, но позитивная динамика всё же видна.
РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов
Так получилось, что в серии «Мирный космический атом» мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг — рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда «Кассини», а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.
Физика процесса
Производство тепла
В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59 Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59 Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится 60 Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин «период полураспада» означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех «обычных» элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:
3D карта изотопов, спасибо ЖЖ пользователю crustgroup за картинку.
Превращение тепла в электричество
-
. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества. . В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток. . В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество. . Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы. — тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.
История
Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.
В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144 Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.
SNAP-3.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.
Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп — стронций-90.
SNAP-7.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность — десятки ватт. Например, SNAP-7D — 30 Вт при массе 2 т.
SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.
SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность — 25 Вт. Не использовались.
SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий — метеорологические спутники Nimbus, зонды «Пионер» -10 и -11, марсианские посадочные станции «Викинг». Изотоп — плутоний-238, энергетическая мощность
40 Вт.
SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.
SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы «Аполлон». 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности.
MHW-RTG
Название расшифровывается как «многосотваттный РИТЭГ». 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством «Вояджеры». На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.
GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и летит к Плутону на «Новых горизонтах».
MMRTG
РИТЭГ для «Кьюриосити». 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.
Тёплый ламповый кубик плутония.
РИТЭГи США с привязкой по времени.
СССР/Россия
В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ «Лимон-1» на полонии-210, созданный в 1962 году:
.
Первыми космическими РИТЭГами стали «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии «Стрела-1» — «Космос-84» и «Космос-90». Блоки обогрева стояли на «Луноходах» -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии «Марс-96»:
В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании — серии «БЭТА», «РИТЭГ-ИЭУ» и многие другие.
Конструкция
Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию:
Перспективы
Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД — как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG — РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.
Достоинства и недостатки
- Очень простая конструкция.
- Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
- Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
- Не требует управления и присмотра.
- Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
- Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
- Низкий КПД.
- Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.
Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.
Мини-атомный реактор с генератором на 10 кВт. Установка для электроснабжения домов будущего?
Предыдущие статьи на тему радиоизотопных атомных установок вызвали интерес. Ссылки на них укажу в конце статьи. И т.к. разработок в этой области много, поэтому предлагаю посмотреть очередную перспективную установку: проект РИТЭГа из США под названием KiloPower.
Это проект NASA для энергообеспечения межпланетных космических аппаратов, марсоходов и в перспективе – баз на Марсе и Луне. Мощность генератора – от 1 до 10 кВт в электрической мощности (в зависимости от мощности ядра и количества рабочих цилиндров двигателя Стирлинга).
Такие показатели KiloPower возможны благодаря применению не термоэлектрических преобразователей «тепло-электричество», работающих за счет разницы температур, а благодаря применению двигателя Стирлинга. Это позволило поднять КПД преобразования тепла в электричество до 25-30%. В установке есть еще и тепловая мощность. Она в 4 раза выше электрической. В теории можно ее использовать для других нужд. А после отладки технологии КПД может быть еще выше (допустим, при дополнительной установке на радиаторы элементов Пельтье).
Вырабатывает тепло компактный атомный реактор. Представляет из себя цилиндр из сплава: 7% молибдена, а остальное - уран-235. Внутри расположен канал со стержнем из карбида бора. Это поглотитель нейтронов цепной реакции. Пока он внутри – реакция не идет. При запуске реактора он выезжает из рабочей зоны и тот начинает разогреваться. Но не до критических температур – взрывоопасность отсутствует по причине расчетной концентрации урана в сплаве.
Для отражения нейтронов и для уменьшения массы урана, реактор окружен оксидом бериллия. В нем вставлены тепловые трубки с натрием. Трубки с теплоносителем нагревают поршни двигателя Стирлинга. Вокруг поршней установлены катушки генератора. Внутри поршня – магнит. Т.е. генерация происходит от возвратно-поступательного движения магнита в катушке. Поршней восемь. Каждый вырабатывает по 125 Вт электроэнергии.
- Как устроен простой двигатель Стирлинга – статья здесь
Схема и испытания реактора KiloPower путем нагрева трубок ТЭНами в 2016 г. Позже, в 2018 г. установку испытывали в пустыне Невада на полигоне. Она проработала 20 часов на полной мощности. Даже умышленные поломки не приводили к критическому перегреву реактора.
Для космических аппаратов радиационная защита установлена только в сторону двигателя и электроники. А вот для установок на Марсе – нужна круговая защита реактора. На Марсе эти РИТЭГи будут выглядеть по представлениям специалистов NASA вот так:
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Почему они никогда не будут доступны для частного использования
В статье Ядерные баратейки и перспективы их использования я высказал свою мысль, что маломощные ядерные батарейки останутся востребованы лишь в узкой части микроэлектроники, в медицине и в космонавтике. Стоимость и малые мощности накладывают ограничения для бытового применения.
Оказалось, что с середины 20 в. промышленность разных стран выпускала и силовые радиоизотопные термоэлектрические генераторы мощностью в десятки и сотни ватт.
С середины 20 в. выпускались так называемые РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы). Принцип их работы был прост. Радиоактивный изотоп нагревал капсулу и через термоэлектрический преобразователь (термопары, работающие на эффекте Томаса Зеебека), получали электроэнергию. Либо использовали кремниевые элементы Пельтье.
В основном их использовали для космических аппаратов и спутников. Работали они на стронции-90, а особо мощные – на плутонии-238. Примеры мощности: аппарат Voyager (160 Вт), Cassini, New Horizons и Galileo (по 300 Вт), Curiosity (110 Вт), Пионер-10 (155 Вт), наши луноходы и спутники и т.д.
РИТЭГи использовались и в лунной программе Аполлон:
Серый РИТЭГ SNAP-27 аппарата «Аполлон-14» с крыльчаткой-радиаторами мощность 73 Вт при напряжении 30 В. Один из самых первых РИТЭГов, SNAP-3 имел мощность 2,5 Вт и вес всего 2,5 килограмма. РИТЭГи использовали еще и для обогрева питаемой электроники.
Эти источники электроэнергии получили распространение и на земле. Компактные ядерные установки на изотопах использовали для питания навигационных маяков, радиомаяков и метеостанций на арктическом побережье страны в советское время:
Срок службы РИТЭГов – 30 лет. Но это при технологиях 50-70 летней давности. За все время в СССР было выпущено около 1000 РИТЭГов.
Герметичные РИТЭГи не представляют опасности окружающей среде и человеку. Но вот охотники за цветным металлом, несмотря на предупреждающую надпись о радиационной опасности, воровали их с мест установки и вскрывали их. Получали тем самым критические для организма дозы радиации.
За 36 лет произошло 23 инцидента с этими установками. Их роняли с вертолетов, разбирали и их находили в пунктах приема лома, местные жители использовали для обогрева жилья и т.д. Поразил случай, когда мощный источник радиации с РИТЭГа выкинули прямо на автобусной остановке.
Поиском установок занимается ФГУП «Гидрографическое предприятие» и Росморречфлот. За восемь лет только с Баренцева и Белого морей было вывезено на утилизацию 153 РИТЭГа. Два из РИТЭГа пока до сих пор не найдены.
Есть технологии еще серьезнее – малогабаритные атомные реакторы. Как пример - компактные ядерные установки Бук и Топаз для спутников.
Но о них как-нибудь в отдельной статье. Если эта тема интересна – напишите в комментариях, поставьте «+». Я буду знать, что продолжение нужно.
Так вот, резюмируя эту информацию про малогабаритные термоэлектрические генераторы на радиоизотопах с позиции частного применения. Идея для отопления и получения электричества для личных нужд отличная. РИТЭГ не требует обслуживания. Привезли, установили, опломбировали. Взломана пломба или произошла утечка радиации – сигнал на пульт и выезд бригады со всеми репрессиями и последствиями для владельца. Все как с оружием. Установка в подземном бункере с двойным контуром теплообмена и системой резервного охлаждения. И т.д.
Но у меня появилась мысль, что простым людям не позволят обладать таким источником энергии. Дело не в теории заговора, что какие-то силы сдерживают технологическое развитие человечества. И дело даже не в их стоимости (хотя за 30-50 лет работы мощного РИТЭГа можно выложить и круглую сумму). Дело в самих людях. Наглядные примеры того, как некоторые неразумные индивидуумы могут обращаться с радиоактивными источниками питания.
При настоящем уровне образования, морально-этического состояния психики и вообще адекватного представления о последствиях своих действий большинства людей на планете – эти установки просто опасны. Это все-равно, что дать гранаты обезьяне.
И людей образовывать до необходимого уровня, чтобы доверить такое оборудование никто не будет. Никто не будет больше тащить за волосы к просвещению. Было это при СССР. Той системы образования больше нет. Поэтому, максимум, на что мы можем рассчитывать – это мощный Li-Ion аккумулятор в телефоне и отопление своего дома магистральным газом (если он есть).
Продолжение темы:
Мини-АЭС во дворе. Челябинец изобрёл ядерный генератор
Челябинец Дмитрий Шадрин уверен, что знает, как можно обеспечить всех доступной и безопасной энергией, а также избавить новые поколения от топливного кризиса.
Речь идёт о ядерном генераторе, который можно разместить прямо у себя во дворе. У Дмитрия уже есть патент на это изобретение, о опасения тех, кто считает, что никто не согласится держать у себя дома «миниатюрную АЭС», он отметает, так как уверен в безопасности своего изобретения.
«Всему виной бытовая радиофобия и то, что люди на самом деле слабо разбираются в том, что такое плутоний, ядерная реакция и прочее, - считает Дмитрий. – Кроме того, у нас просто нет выборы – запасы топлива на Земле стремительно сокращаются».
Уран – он разный
В чём же отличие ядерного генератора от обычных ядерных реакторов, которые работают на АЭС в России и за рубежом?
«Обычный ядерный реактор работает от 10 до 20 лет, - рассказывает Дмитрий Шадрин. – АЭС всегда строят рядом с водным источником, так как для работы реактора необходима вода для охлаждения. Когда цепная реакция ослабевает, материал закладывают в бассейн, и через 4-5 лет получается плутоний. Тут ещё надо пояснить, что уран, источник сырья для АЭС, неоднородный. Так, например, из урана-238 атомную бомбу не сделаешь. Из урана -235 была сделана бомба «Малыш», которую сбросили на Хиросиму, а из плутония – бомбу «Толстяк», упавшую на Нагасаки. Но уран, как и любое другое сырьё, заканчивается. Урана-235 мало, а плутония накопилось уже много. Что с ним делать? Использовать в реакторе? В результате выделяется слишком большая температура, и возрастаёт риск разрушения. Другой выход – реактор на быстрых нейтронах, который позволяет плутоний снова превращать в уран. Получается замкнутый цикл».
Замкнутый цикл – это мечта ядерщиков, но возникает немало проблем. Для охлаждения таких реакторов используют натрий, но он при соприкосновении с воздухом возгорается, а с водой – и вовсе взрывается. В разных странах из-за этого уже было несколько аварий.
«Особенно много остаётся урана-238, - продолжает Дмитрий. – Сейчас его используют в смеси с ураном-235 или плутонием, но это решение имеет тоже свои недостатки. Я же предлагаю использовать уран-238 для ядерного генератора – используем энергию его естественного распада».
Ядерный реактор для дома
Десять лет тепла и света по цене в 10 центов за один киловат/час. Звучит заманчиво, не правда ли? По крайней мере, именно об этом говорится в пресс-релизе компании Hyperion Power Generation, продвигающей на рынокчастного домостроительствапортативную атомную установку под названием Hyperion.
Отличаясь необычайно малыми размерами – высота установки около трёх метров, и автономностью – срок работы реактора на одной заправке больше десяти лет, мини-станция мощностью в 25 мегаватт сможет стать незаменимым источником энергии для коттеджных поселений, фермерских хозяйств и небольших промышленных предприятий.
Как сделать очаг из обычной свечи читайте здесь.
И хотя цена в 25$ миллионов поначалу может показаться неоправданно высокой, представители компании говорят, что если Hyperion купят примерно 10 тысяч домовладельцев, то затраты каждого не превысят 2500$.
Несмотря на то, что в последние годы было несколько аварий, связанных с утечкой радиоактивных элементов – достаточно вспомнить катастрофу в Японии на АЭС Фукусима, разработчики Hyperion заявляют – их установка, работающая на низкообогащённом уране, может быть смонтирована даже в цокольном этаже частного дома.
Конечно, в реальной жизни так никто поступать не будет – ректор должен находиться глубоко под землёй в специальной бетонной рубашке. Но отсутствие сложной автоматики, саморегулирующуюся система охлаждения и конструкция реактора не позволяет ему выйти на сверхкритический режим работы, при котором было бы возможно расплавление ядра, что обеспечивает гораздо большую безопасность работы, чем обычная АЭС.
Систему не требуется обслуживать. Процесс перезагрузки топлива происходит на заводе изготовителе – для чего раз в 10 – 15 лет реактор потребуется извлечь и отвезти для перезаправки.
Hyperion Power Generation уже поставила несколько таких реакторов в Румынию, а благодаря повышенному интересу к разработке, уже ведутся переговоры по установке Hyperion в коттеджные поселения в Южной Америке. Всего же компания предполагает продать больше 4000 реакторов за ближайшие 10 лет.
Но если американцы только в начале пути, то японская компания Toshibaуже давно предложила жителям маленького города Галена, что расположен на Аляске, установить сверхминиатюрный ядерный реактор Toshiba 4S.
Причём поселенцам в количестве всего в 700 человек даже не придётся тратиться на покупку реактора размером с холодильник. Специалисты из компании Toshiba в рамках рекламной компании предложили им бесплатную установку и обслуживание мини-станции 4S мощностью всего в 10 мегаватт.
Жители удалённого городка, обогревающие свои дома дизельным отоплением , будут платить от 5 до 10 центов за киловатт-час. А срок службы установки до первой перезагрузки топлива составит 30 лет.
О том, как выбрать источник альтернативного отопления для дома рассказывается в этой статье.
Японцы предлагают использовать данный реактор в качестве элемента питания для опреснительной установки по производству чистой воды, которая может быть востребована в жарких странах расположенных на берегах океанов и морей.
Также представители компании заявляют о начале разработки ещё более компактной модели портативного ядерного реактора мощностью в 200 киловатт, предназначенной для системы электроснабжения, отопления и водоснабжения одного коттеджа на протяжении более 40 лет.
Подведя итог можно сказать, что если раньше владельцы частных домов стремились подключиться к централизованным энергоносителям, то сейчас, всё большую популярность приобретает движение за полностью энергонезависимое жилище.
А в этом видеосюжете рассказывается о том, как увеличить электрическую мощность вашего дома с помощью инвертора.
Читайте также: