Возможно-ли создать летающую АЭС мощностью 300 МВт: от идеи до концепции

В своих статьях «Атомолёт Виноградова» с атомной гибридной силовой установкой. Часть 3» [1] я уже отметчал, что можно электроэнергию сделать товаром для удалённых районов и месторождений, а не мегапроектом, временно используя мощность от электрогенераторов атомолета. Атомолет станет, по сути, самотранспортируемой по воздуху мини-АЭС, способной работать в любой точке мира и в условиях больших землетрясений, и в жаре, и в холоде. Учитывая, что Египет, Замбия, Руанда, Эфиопия формируют новую линейку партнеров «Росатома», а также учитывая перспективы увеличения рынка потребления электроэнергии на всем Африканском континенте [2], и в связи с разработкой месторождений урана, вольфрама и др., возможно, следует провести специальные расчеты возможности применения «Атомного двигателя Виноградова»  (АДВ) в атомной гибридной силовой установке (АГСУ) для жаркого климата.

Так, самая низкая температура [3,4], зафиксированная ночью в пустыне Сахаре, составляет -18ºС. Самая высокая дневная температура во всем мире зарегистрирована именно в Сахаре в Африке, и составляет +58ºС. Резкие перепады температуры, в течение суток, очень характерны для Сахары. Летом в течение дня солнце нещадно палит, температура воздуха поднимается до +50ºС, песок и скалы нагреваются до +70ºС.

Средний  показатель  температуры  планеты  Земля    14°C. Максимум    70.7°C. Эту  отметку  зафиксировали  в  иранской пустыне.  Отличилась  также  Австралия  (69.3°C)  и  Китай (66.8°C).  Самую  низкую  температуру  на  Земле  отыскали  на станции Восток Антарктида, где градус опустился до минус 89.2°C в 1983 году. В спутниковых наблюдениях отметили целых минус 93.2°C в Антарктиде в 2010 году!

Попробуем расчетом доказать возможность сброса не использованного в термодинамическом цикле АДВ тепла в окружающий воздух при температурах плюс 10-40-60-70-80 0С, см. Табл. 1, а также, при разной температуре и высоте ребер охлаждения.

Таблица 1

Параметр воздуха Размер. 10 0С 40 0С 60 0С 70 0С 80 0С
Плотность воздуха на уровне земли  r кг/м3 1,247 1,128 1,06 1,029 1
Давление воздуха на уровне земли  p*105 Па 1,01 1,01 1,01 1,01 1,01
Динамическая вязкость воздуха,     μ*106 Па*с 17,6 19,1 20,1 20,6 21,1
Кинематическая вязкость воздуха,   ν*106 м2 14,16 16,96 18,97 20,02 21,09
Удельная теплоёмкость воздуха,         Cp Дж/

(кг*град)

1005 1005 1005 1009 1009
Теплопроводности воздуха,        λ·102 Вт/

(м*град)

2,51 2,76 2,9 2,96 3,05
Критерий т/ф подобия Прандтля,   Pr 0,707 0,699 0,696 0,694 0,692

Мы создадим летающую мини-АЭС, которая будет намного выгодней, чем российская плавучая атомная тепловая электростанция (ПАТЭС) «Академик Ломоносов» –  плавучий энергоблок в разрезе с КЛТ-40С см. рис. 1 [5].

Во-первых, в большинстве государств Африки, где уже разведаны месторождения полезных ископаемых, нет глубокой воды для ПАТЭС, а прокладывать ЛЭП, даже максимального освоенного вольтажа 750 Киловольт, это потеря  10% мощности в нагрев проводов на каждую 1000 километров длины [6,7,8]. Сравним: Затраты на транспортировку нефти по сухопутным трубопроводам составляют пару долларов на 1 баррель. Затраты на передачу ЭЭ из Владивостока в Москву составили бы около 90% от количества передаваемой ЭЭ, а из Новосибирска в Москву около 50% [9].

Во-вторых, сегодняшние крупные АЭС, например, проекта ВВЭР-ТОИ мощностью 1200 МВт эл., а также и АСММ проекта «РИТМ-200Н», не вырабатывают на самом деле, как заявляют создатели, дешёвую электроэнергию. Покупатели электроэнергии просят правительство отложить запуски АЭС. Атомная энергия обходится промышленным потребителям в 30 раз дороже энергии, вырабатываемой на угле [10]. Каждый пуск энергоблока АЭС в России делает тариф для физических лиц дороже примерно на 1 рубль.

В-третьих, летающая мини-АЭС не требует строительных работ, специального обустройства места посадки (всё необходимое у неё с собой), не требует ремонта и обслуживания, не требует перегрузки ядерного топлива, его хранения и утилизации, не требует квалифицированного персонала, так как работает в автоматическом режиме по принципу «plug and play», т.е. подключил и потребляй электроэнергию. Летающая мини-АЭС это технология парадигмы производства электроэнергии в 21-ом веке. Электроэнергия наконец-то «станет продуктом (товаром), а не мегапроектом» [1,11,12].

Рис. 1.

В-четвертых. Особо надо отметить стоимость ПАТЭС – «черной дыры»: Если в декабре 2006 г. проект оценивался в 2 млрд. 609 млн. руб., то через несколько месяцев его  стоимость возросла до 5,5 миллиарда.  В марте 2007 года   она составила 9 миллиардов. В мае 2007 года  «плавучая  АЭС» потянула уже на 11, 2 млрд. рублей. Сегодня цена «плавучей   АЭС» с транспортировкой из Санкт-Петербурга   на Чукотку   с построенными причалами  и сооружениями   в городе   Певек    приближается к 27 млрд. рублей.  О возвращении потраченных    на строительство    бюджетных  средств в РОСАТОМе   никто   не думал  и не думает [13].

В-пятых, стоимость ПАТЭС в десятки раз больше, чем ожидается стоимость летающей мини-АЭС, при использовании которой будет продаваться потребителю только электроэнергия и установленная мощность, а сама установка остаётся собственность завода-изготовителя [1]. Ресурс работы установки около 25000 часов, и загрузка ядерного топлива сделана на этот срок. А заранее до завершения срока работы завод-изготовитель присылает потребителю – Заказчику очередную мини-АЭС, которая быстро заменяет отработавшую.

Мегапроекты АЭС до 1000 МВт эл. (и выше) с водо-водяными реакторами (ВВР), и даже АЭС малой мощности (АСММ) с ВВРами до 300 МВт эл., как например, на Дальнем Востоке  РИТМ-200Н массой в оболочке («коконе») 1500 тонн,  с большой стройкой, обслуживанием и ремонтом, уйдут в прошлое как «маразм и неподъёмная гигантомания конструкторов 20-го века». Из доклада на Конференции представителей проектно-конструкторского комплекса атомной отрасли России (2021 г.) Щекина Дмитрия Владимировича, заместителя главного конструктора  РУ ВВР АСММ  АО «ОКБМ Африкантов» [14]: – Габариты РИТМ-200Н: диаметр 8,7 м, высота  22 м. Масса РУ: 1500 т. И эта работа начиналась с обликового проекта №8370-01 от 28.08.2018 г. Технические параметры РИТМ-200Н: – «Электрическая мощность  не менее 55 МВт, тепловая – 190 МВт, к.п.д.  28%. Если тянуть ЛЭП от побережья вглубь материка, то неизбежны ещё потери электроэнергии  около 10% от передаваемой мощности на каждые 1000 километр трассы [7,8]. Площадь станции с сопутствующими зданиями и сооружения  11,2 Га (0,11 км). Срок сооружения   4 года».

По факту, при отсутствии грузоподъёмных дорог и при температуре воздуха зимой минус 50-60 0С, скорее всего, и за 10 лет в Республике Соха (Якутия) не построят АСММ с РИТМ-200Н!В 21-ом веке нельзя признать эту разработку АЭС с РИТМом не иначе как бредом сумасшедших академиков и научных консультантов, менеджеров, что отметили на прямой  интернет-трансляция из Москвы  с «Конференции  представителей  проектно-конструкторского  комплекса  атомной  отрасли  России»  на платформе  AtomSpace [15,16].

И так, зададим облик будущей «Летающей мини-АЭС» (ЛМАЭС). За основу идеи возьмём «Атомолет Виноградова» (АВ) [1], который максимально упростим до способности самому перелетать на большие расстояния (несколько оборотов вокруг земного шара), приземляться и взлетать вертикально, нести небольшую нагрузку в виде подстанции преобразования частоты напряжения 400 Гц в 50 Гц, распределительных щитов, эл. кабелей и др. мелочи. Дальше будем отсекать невостребованные свойства «атомолёта» по мере конструирования облика ЛМАЭС. Количество воздушных винтов уменьшим до 4-х, а для их питания сделаем две АГСУ, каждая из которых сможет обеспечить энергией электродвигателей 4-х воздушных винтов в аварийном режиме, т.е. обеспечить минимальную необходимую мощность исходя из экстренной безопасной посадки ЛМАЭС. Вторым, пожалуй, знаковым свойством ЛМАЭС, должно быть способность приземляться (и соответственно, взлетать) на любой подходящей площадке твердой поверхности, расположенной не далеко от потребителя электроэнергии. Конечно, и взлетная масса, и габариты корпуса «атомолёта» уменьшаться. На сколько? Определим после определения возможности сброса неиспользованного тепла в горячий воздух Африки.

О СТОИМОСТИ АСММ

Есть и еще кое-какие разрозненные цифры о «РИТМ». Например, система управления реакторами оценивается в 1,26 миллиарда рублей. Стоимость комплекта оборудования для перегрузки топлива – 1,28 миллиарда. А сам комплект топлива – в 0,5 миллиардов (хотя мне эта цифра кажется слишком круглой). Стоимость комплекта турбооборудования 2,7 миллиарда рублей “весной 2013 года ЗАО “Завод “Киров-Энергомаш” одержало победу в тендере ООО “Балтийский завод – Судостроение” на разработку, изготовление и поставку паротурбинной установки для атомного ледокола проекта 22220 (ЛК-60) общей стоимостью 2,7 млрд рублей”.

Рис. 2.

Исходя из последних данных расчета зададимся значением к.п.д. АДВ около 50%, см. рис. 2. При этом мы температурный режим и активной зоны, и шаровых твэлов ШПГО, могли бы снизить до 700 – 800 0С, что благотворно скажется на ресурсе работы установки. Однако, ресурс АДВ определяется не работоспособностью активной зоны и твэлов, а  сроком работоспособности подшипников выходного вала турбины и сальником этого вала.

Таким образом, можно ожидать следующий обликовый вид будущей ЛМАЭС, см. рис. 3. Где: 1 –  фюзеляж ЛМАЭС – не несущий  давление (негерметичный) корпус по технологии МС-21, 2 – воздушный винт, 3 – поворотная колонка воздушного винта, 4 – герметичная капсула экипажа, 5 – гнездо воздушного винта, 6 – разворот колонки, 7 – электродвигатель воздушного винта, 8 – воздуш-ный винт в маршевом положении полета, 9 – короб, 10 – электрогенератор, 11 – атомный дви-гатель АДВ-300 с ребрами охлаждения, V – направление полета. На разрезе Б-Б стрелками указано движение охлаждающего воздуха. Шасси, двери и др. мелочь не показаны на рисунке.

Рис. 3.

Размещение всех узлов внутри корпуса АВ будет производиться исходя из аэродинамической балансировки аппарата. Размещение двух АГСУ будет производиться исходя из наилучшего охлаждения их атомных двигателей в «атомолете» на открытой площадке в жарком климате.

Для расчета сброса тепла через стенку корпуса АДВ для начала возьмем самое примитивное решение, см. рис. 4, это ребра поз. 2 на поверхности обечайки поз. 7, изготовленные из сплава алюминия. Обечайка из двух половин прижимается к корпусу АДВ механически, например, как хомут. Примем  уже известную схему движения теплоносителя (рабочего тела) АДВ и потока охлаждаемого воздуха поз. 5, создаваемого турбовентилятором поз. 6, имеющего обороты выходного вала АДВ = 24000 об/мин.   Оценочный  расчет  сделаем  в  критериальной  форме  уравнений, как уже было изложено в статье [11, Часть 3.  Все задаваемые и рассчитываемые параметры сведены в таблицу 2.

Рис. 4.

Где: 1 – корпус АДВ (сталь),  2 –  ребро толщиной ht и высотой hv на обечайке 7 (алюминиевый сплав), 3 – внутренняя поверхность короба 4 диаметром Dкв, 5 – поток воздуха из воздухозаборника, 6 – лопаточный аппарат воздушного компрессора.  АДВ  установлен  в цилиндрическом  коробе  4  таким  образом,  чтобы  от  торцов  ребер  2  по

окружности до внутренней цилиндрической стенки короба 3 был зазор для  прохода  воздуха.  Так  образована  не  замкнутая  площадь  f  проходного сечения  канала  охлаждения и длина его смоченного периметра S.

В табл.2 показаны три варианта расчета: 11, 12 и 13 расчетов критерия теплового подобия Нуссельта по различным экспериментальным формулам: вар. 11 – турбулентный режим по уравнению 6 стр. 12 [17]; вар. 12 – по формуле С.С.Кутателадзе Нуссельт для Re от 2100 до 10000, при Pr любом; вар. 13 – по формуле Б.Ц.Хаузена Нуссельт для  Re от 2100 до 100000 при Pr любом. По рекомендациям методики [17] для определения коэффициента теплоотдачи  a1 = Nu  *l/dэ   берём наименьшее значение.

Таблица 2

Рис. 5.

Результаты расчетов при различных температурах охлаждаемого воздуха, но при одинаковых конструктивных параметрах корпуса, короба и ребер охлаждения, приведены в виде графиков на  рис.5. Ожидаемым было то, что больший теплосъем может быть обеспечен только при большей температуре рабочего тела. Т.е. от чего ушли, к тому и пришли. Температуру рабочего тела делать 700 – 800 0С нет резона, поскольку если её увеличить, то и увеличим теплосъем неиспользованного в термодинамическом цикле АДВ тепла, а значит, и больше получим электрическую мощность. К сожалению, все главные конструкторы КБ «Росатом» ужасаются тому, что температура твэлов в корзине активной зоны такая, что все в ней светится «белым светом раскаленной стали добела». В ВВР такого нет, и им с низкой температурой и с к.п.д. 25 – 35% как-то привычней. Для конструкторов авиационно-космических двигателей такие температуры это обыденное дело. В своём проекте мы используем авиационные технологии и материалы для авиационных турбин, способные работать при температурах до 1400 0С и не сильно активируемых излучением.

В экономическом плане.Конструкция активной зоны реактора основана на новом методе преобразования, в котором начальная «пусковая» секция активной зоны обеспечивает нейтронами для преобразования воспроизводящего материала (отработавшего ядерного топлива, тория или обедненного урана) в выгорающее делящееся топливо. В данном варианте АДВ применен принцип Energy Multiplier ( EM² или EM в квадрате или EM2) – это реактор ядерного деления, в своё время разрабатываемый General Atomics. Этот принцип позволяет использовать дешевый природный уран 238 и торий, получая в отработанном топливе, в отличие от ВВР, новое топливо, которое на заводе-изготовителе будет использоваться повторно для изготовления новых твэлов. В этой версия блок активной зоны реактора соединен с корпусом газовой турбиной, которая имеет прямой привод и на компрессор, и на выходной вал, приводящий в действие генератор на 400 Гц для производства электроэнергии. Данный вариант АДВ обладает высокой экономической эффективностью, не имея ограничения в достатке ядерного топлива на долгие годы. Отмечу особо, ядерное топливо уран 235 для ВВР в скором времени будет дефицитом и дорогим, так что стратегия «Росатома» строить ВВЭР ошибочная, тупиковая.

В установках EM2 первого поколения используются стартеры из обогащенного урана (примерно 15 процентов U235 ) для инициирования процесса конверсии. Стартер U235 расходуется по мере превращения воспроизводящего материала в делящееся топливо. Существенные количества пригодного для использования делящегося материала остаются в активной зоне EM2 в конце срока службы. Этот материал можно повторно использовать в качестве стартера для второго поколения EM2 без традиционной обработки. Не требуется разделения отдельных тяжелых металлов и дополнительного обогащенного урана. Будет удалено только продукты деления, которые распадутся до уровня, близкого к фоновому, примерно за 500 лет по сравнению с обычным отработавшим топливом ВВР (PWR), для которого требуется около 10 000 лет. Все наработанные в таком реакторе тяжелые металлы по принципу EM2 могут быть переработаны в новые блоки EM2, эффективно замыкая ядерный топливный цикл, что сводит к минимуму риски распространения грязного ядерного оружия террористов и необходимость в долгосрочных хранилищах для защиты ядерных материалов.

Атомы тяжелее урана имеют гораздо большую вероятность деления быстрым нейтроном, чем тепловым. Это означает, что количество более тяжелых атомов в потоке ядерных отходов, например, кюрия, значительно сокращается, что приводит к существенному снижению требований к обращению с отходами АДВ[1]

Теплоноситель газовый может быть различных типов, в том числе диоксид углерода или гелий. Он должен состоять из элементов с низким сечением захвата нейтронов для предотвращения наведенной высокой радиоактивности. Использование газа также исключает возможность взрывов, вызванных фазовым переходом, например, когда вода в реакторе с водяным охлаждением (PWR или BWR) превращается в пар при перегреве или разгерметизации. Использование газового теплоносителя также допускает более высокие рабочие температуры, чем это возможно с другими охлаждающими жидкостями, увеличивая термический к.п.д. Газовый теплоноситель позволяет длительно хранить АДВ при низких температурах на складах без опасения разморозить его.

Безопасность. Сегодня газоохлаждаемые реакторы не получили особого развития по комплексу причин, главная из которых – при аварии типа LOCA (разрыв трубопроводов с потерей герметичности реактором) охлаждать активную зону становится нечем. Что бы как-то с этим справится, тепло в случае аварии отводят через стенки, а размеры АЗ раздувают в десяток раз по сравнению с водоохлаждаемыми реакторами. А ВВР и вовсе имеют способность расплавить толстостенный корпус реактора, пример, Фукусима АЭС.

В АДВ применен иной способ обеспечения безопасности. Во-первых, отсутствуют трубопроводы, гидравлические удары, фазовые переходы у теплоносителя. Во-вторых, применено быстрое извлечение шаровых твэлов ШГПО из корзины активной зоны в специальный контейнер «гробик», в котором твэлы пропитаны жидким свинцом и вместе с ним охлаждаются сами по себе отводом тепла через стенку корпуса АДВ. В-третьих, мощность активной зоны ограничена в разумных пределах. Таким образом, такие «газовые быстрые” могут заиграть совсем новыми красками, с их очень высоким КПД и безопасностью.  https://ucrazy.ru/interesting/ 1460231505-razvitie-atomnoy-energetiki-6-koncepciy.html

В плане безопасности от террористов и во время военных действий.

Электроэнергия это специфический вид энергии, которую нельзя физически вырабатывать, если нет потребления. От больших АЭС идут ЛЭП, и если их разрушить, то АЭС встанет. ЛЭП это один из самых уязвимых видов инженерных сооружений. Они отлично видны из космоса, попасть в них ракетой можно в любом по их длине месте, чтобы вывести из строя АЭС. Да и сама АЭС не маленьких размеров, так что промахнуться очень сложно.

Летающая мини-АЭС в это плане более защищена. Её размеры позволяют её маскировать, в т.ч. и её тепловой шлейф. Она может иметь компактную систему активной защиты от ракет, как например танк. Она способна быстро менять своё место расположения в пределах кластера энергоснабжения, например, крупного завода, быстро подключая потребителя на свою нагрузку в разных точках кластера через кабельные вводы. В отношении защиты от террористов лучше системы «Булат» ничего нет. Работая в автоматическом режиме «Булат» не даст никому возможности подойти к мини-АЭС, а просто, террориста загонит в летаргический сон. Поскольку у мини-АЭС отсутствует какой-либо персонал, то и нет человеческого фактора, т.н. «купленного предателя» её ликвидации.

Замечания некоторых специалистов атомной отрасли: – «Считают, что более выгодней использовать «летающую тарелку» в качестве транспорта «Ядерных батареек», нежели простаивать ей на земле 3 года, вырабатывая электроэнергию. Отвечаю: Стоимость фюзеляжа тарелки составляет примерно 1/4 от всей стоимости «летающей тарелки», а вот перевозить «Ядерную батарейку» для временного электропитания, загружать её в атомолет, и разгружать и подключать к сетям потребителя на месте приземления, будет дороже, чем подключить временно электрогенераторы АГСУ к сетям потребителя. За время работы на земле всё равно ресурс АДВ вырабатывается, а это 3/4 стоимости «летающей мини-АЭС». Таким образом,  и в полете, и на земле будет выгода. А на сколько эта разница будет по факту, то это можно определить только сделав в железе летающую мини-АЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Летающая мини-АЭС сможет:

  1. Летать на большие расстояния, и вокруг Земли, с крейсерской скоростью до 950 км/час в эшелоне на высоте до 30 км от уровня моря.
  2. Обеспечивать гарантированную эл. мощность на земле около 24 МВт, в том числе в пустыне Сахара в Африке при температуре воздуха 70 гр. С.
  3. Оперативно доставлять надежный источник электропитания к потребителю в любую точку Мира, и при этом потребитель оплачивает только установленную мощность и количество потребленной электроэнергии.
  4. В качестве топлива использовать дешевый уран-238, которого достаточно много на Земле.
  5. Все наработанные в таком быстром реакторе тяжелые металлы по принципу EM2 могут быть переработаны в новые блоки EM2, эффективно замыкая ядерный топливный цикл, что сводит к минимуму риски распространения грязного ядерного оружия для террористов и устраняет необходимость в долгосрочных хранилищах для защиты ядерных материалов (ОЯТ). 

ЛИТЕРАТУРА:

  1. PRoAtom – «Атомолёт Виноградова» с атомной гибридной силовой установкой.  Часть 3 от 10.11.2022.pdf
  2. PRoAtom – Портфель для Африки.pdf
  3. Температура на Земле_ минимальное и максимальное значения.pdf
  4. Пустыня Сахара🌟подробно о климате, рельефе, животных, растениях.pdf
  5. _Академик Ломоносов_ прибыл в Певек раньше запланированного срока. pdf
  6. Переводит в нагрев проводов 10% мощности на каждую 1000 км.doc
  7. Передача электроэнергии на тысячи километров _ Публикации _ Элек.ру .pdf
  8. Потери электроэнергии в электрических сетях_ виды, причины, расчет..pdf
  9. Почему у ВАС дорогое электричество_ цена генерации для потребителей _ Беседка _ Яндекс Дзен.pdfhttps://zen.yandex.ru/media/bessedka/pochemu-u-vas-dorogoe-elektrichestvo-cena-generacii-dlia-potrebitelei-60a5ec8cce404e36f433520f
  10. Покупатели электроэнергии просят правительство отложить запуски АЭС – Ведомости.pdf
  11. Якопо Буонджорно проф яд инж MIT_ Микрореакт могут полн-ью измен правила игры в атомной отрасли _ А 2.0 Э.pdf
  12. MIT разработал _ядерную батарейку_ мощностью до 10 МВт _ А 2.0 Э.pdf
  13. Цена плавучей   АЭС из Лихачев Большая точка роста 06.03.18.doc
  14. АСММ_5._Щекин_Д.В._некоторые_проблемные_вопросы РИТМ.pptx
  15. PRoAtom – Карфаген должен быть разрушен! Как_ Нагреем вечную мерзлоту в России! от 28.01.2022.pdf
  16. PRoAtom – Конференции представителей проектно-конструкторского комплекса атомной отрасли.pdf
  17. Степанов О. А. ТЕПЛОВОЙ  И  ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ  ТЕПЛООБМЕННОГО  АППАРАТА ВОЗДУШНОГО  ОХЛАЖДЕНИЯ. Методические указания. Тюмень, 2009.

Автор: Андрей Виноградов, к.т.н.
Источник: http://www.proatom.ru/