§ 11.10. Циклы атомных электростанций

Основное отличие атомных электростанций от тепловых заключается в том, что для получения теплоты используется не парогенератор, а ядерный реактор, в котором энергия выделяется при расщеплении ядер тяжелых ме­таллов (изотопов урана и плутония). Отвод теплоты от ядерного реактора осуществляется с помощью циркулирующей жидкости или газа. Существует несколько схем отвода теплоты. Ниже будут рассмотрены двух -, и трехконтурные схемы атомных установок.

Схема двухконтурной атомной электростанции приведена на рис. 11.24, а трехконтурной - на рис. 11.25. На этих схемах обозначено: 1-ядерный реак­тор; 2-парогенератор для двухконтурной, и теплообменник для трехконтур­ной схемы; 3-насос; 4-паровая турбина; 5-электрогенератор; 6-конденсатор; 7-конденсатный насос; 8-биологическая защита; 9-парогенератор для трехконтурной схемы; 10-насос.

Рис. 11.24

В приведенных выше Схемах теплоноситель цикла Ренкина не смешива­ется с радиоактивным теплоносителем 1-го контура. Передача теплоты от первого контура, ко второму осуществляется в теплообменнике (парогенераторе) 2.

Основными теплоносителями в циклах атомных электростанций служат вода под давлением, кипящая вода, газы, жидкие металлы. Соответственно этому ядерные реакторы называются водо-водяными, кипящими водяными энергетическими реакторами, газоохлаждаемыми, жидкометаллическими и т.п.

Недостаток воды как теплоносителя первого контура заключается в не­возможности получать высокие параметры водяного пара во втором контуре, т.к. вода имеет низкую температуру кипения при малых давлениях. В итоге существенно снижается термический кпд цикла Ренкина. Для получения бо­лее высоких параметров водяного пара необходимо применять теплоноси­тель, имеющий значительно более высокую температуру кипения при малых давлениях. Таким требованиям в полной мере удовлетворяют жидкие метал­лы.

Рис. 11.25

На рис. 11.26 приведен цикл паросиловой установки, работающей на су­хом насыщенном паре. Здесь: 1-2 - адиабатное расширение пара на лопатках паровой турбины; 2-3 - конденсация пара в конденсаторе; 3-4 - сжатие воды в конденсатом насосе 7; 4-5 - изобарный подогрев воды в парогенераторе 2; 5-1 - парообразование в парогенераторе.

Рис. 11.26

Термический кпд этого цикла и удельный расход пара определяются со­ответственно по формулам

;

.

При выводе формулы для кпд приняты допущения: при адиабатном сжа­тии воды в насосе 7 не учитывается повышение ее температуры (точки 3 и 4' практически совмещаются); полагается, что изобара 4-5 совмещается с по­граничной кривой жидкости х = 0, т.к. удельный объем воды весьма мал по сравнению с удельным объемом пара; работой насоса 7 пренебрегается.

Недостатки цикла, изображенного на рис. 11.26, заключаются в том, что лопатки паровой турбины работают во влажном паре. В связи с чем сущест­венно снижается ресурс лопаток турбины по причине их эрозии. Для увели­чения степени сухости пар необходимо перегревать.

§ 11.11. Циклы электрических станций с магнитогидродинамическими генераторами

Действие магнитогидродинамического (МГД) генератора основано на принципе возникновения электродвижущей силы в ионизированном потоке газа, движущегося между полюсами сильного электромагнита. Этот принцип хорошо известен - в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, возникает электродвижущая сила. Роль движущегося проводника в МГД - генераторе выполняет поток ионизированного газа, являющегося низ­котемпературной плазмой, содержащей нейтральные атомы, отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. В результате в целом нейтральная плазма является проводником электрического тока.

Плазма может быть получена путем нагрева газа до высоких температур электрической дугой, применением тока высокой частоты, электрическим высоковольтным разрядом и другими способами.

Таким образом, в МГД - генераторе рабочим телом служит ионизирован­ный газ, движущийся в магнитном поле и являющийся одновременно про­водником электрического тока. Такая конструкция является значительно бо­лее простой, чем паросиловая установка. К тому же необходимость применения более высоких температур (для получения плазмы) и отсутствие движущихся деталей в МГД - генераторе увеличивают эффективный кпд. Увеличению кпд способствует также тот факт, что в МГД - генераторах теп­лота преобразуется в электрическую энергию, минуя промежуточную стадию превращения теплоты в работу. Следовательно, они являются устройствами для безмашинного превращения теплоты в электрическую энергию.

Одной из важных проблем, которую необходимо решать при создании МГД - генераторов, является повышение электропроводности плазмы. Дело в том, что ионизированные газы - плохие проводники. Электропроводность га­зов можно увеличить путем добавления незначительного количества паров веществ, повышающих степень ионизации. К числу таких веществ относятся, например, пары цезия.

Другой важной проблемой является необходимость создания мощного магнитного поля. Это связано с тем, что газ имеет относительно малую элек­тропроводность (в 10⁵ меньшую, чем у меди) и невысокие скорости движения по каналу МГД - генератора.

Следующей важной проблемой является обеспечение сохранности канала МГД - генератора и электродов для съема электрического тока при высоких (до 2700° С) температурах газа. В связи с чем, приходится применять доро­гостоящие тугоплавкие материалы, что приводит к значительному увеличе­нию стоимости установки.

Применение МГД - генераторов наиболее целесообразно в качестве голов­ного звена паросиловой установки. Это связано с тем, что температура на выходе из канала МГД -генератора превышает 2000° С. Такие параметры газа вполне достаточны для превращения воды в пар и его перегрева в обычной паросиловой установке.

Рис. 11.27

Принципиальная схема паросиловой установки с МГД - генератором пред­ставлена на рис. 11.27. На схеме обозначено: 1- камера сгорания; 2- канал МГД - генератора; 3,4- электроды (анод, катод); 5- электромагнит; 6- возду­хоподогреватель (регенератор); 7- пароперегреватель; 8- парогенератор; 9- питательный насос; 10- конденсатор; 11- паровая турбина; 12 - компрес­сор; 13- электрогенератор.

Рассмотрим процессы циклов МГД - генератора (верхний цикл) и пароси­ловой установки (нижний цикл), изображенных на рис. 11.28. 1-2 - адиабат­ный процесс расширения газов в канале МГД - генератора; 2-6 - охлаждение газов в регенераторе 6; 6-3 - охлаждение газов в пароперегревателе 7, паро­генераторе 8 и в атмосфере; 3-4 - сжатие воздуха в компрессоре 12; 4-5 - подогрев воздуха в регенераторе 6; 5-1. - подвод теплоты в камере сгорания 1; 1'-2' - адиабатный процесс расширения пара в паровой турбине 11; 2'-3' - конденсация пара в конденсаторе; 3'-4' - сжатие питательной воды в конден­сатом насосе 9 и подогрев до температуры кипения в парогенераторе 8; 4'-5' - парообразование (кипение) в парогенераторе 8; 5'-1' - перегрев пара в па­роперегревателе 7.

Рис. 11.28

В идеальном МГД - генераторе количество теплоты, затраченное на полу­чение электрической энергии, эквивалентно площади 12341. Количество те­плоты, выделяющейся при сгорании топлива, эквивалентно площади аb15а. Отсюда кпд МГД - генератора будет

.

Описанный выше цикл МГД - генератора представляет собой разновид­ность рассмотренной выше бинарной установки (§ 11.8). Также как и в би­нарном цикле, цикл МГД - генератора и цикл Ренкина построены для разных количеств рабочих тел. Цикл Ренкина построен для 1 кг пара, а МГД - цикл -для т кг газа, т.е. на 1 кг пара приходится т кг продуктов сгорания.

Полезная внешняя работа МГД - генератора, затраченная на получение электрической энергии без учета паросилового цикла, определяется по фор­муле

.

Полезная работа цикла Ренкина будет

.

Вся затраченная в цикле теплота определяется по формуле

.

Отсюда термический кпд всей установки будет

,

где - энтальпия водяного пара в точках 1' и 2'. Кпд всей установки мо­жет достигать величин, примерно в 1,5 раза превышающих кпд обычных па­росиловых установок (до 50-55 % и более).

Более высокий кпд по сравнению с циклом Ренкина объясняется весьма высокой максимальной температурой рабочего тела МГД - генератора, равной температуре горячего источника, а также использованием значительного температурного перепада без потери от необратимого теплообмена между горячим источником и рабочим телом. Кроме того, повышению кпд способ­ствует высокая средняя температура подвода теплоты в цикле (линия 5-1), что увеличивает работоспособность подводимой теплоты.