Циклы АЭС и их эффективность

Как уже отмечалось, на АЭС ядерный тепловой двигатель состоит из реактора, являющегося источником теплоты (подобно паровому котлу или камере сгорания), соответственно паро- или газотурбинной установки, где эта теплота превращается в механическую работу. Поэтому теоретические циклы ядерных тепловых двигателей подобны рассмотренным выше циклам паротурбинных и газотурбинных двигателей и к ним применимы те же оценочные критерии. Однако существуют и некоторые особенности:

  • 1) возможность широко изменять тепловую мощность реактора;
  • 2) ограниченность ее максимальной величины термостойкостью оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) (сплавы из А1 и Mg - до 450°С, нержавеющая сталь - до 600°С, другие материалы - до 1000°С) и термостойкостью ядерного топлива (металлический уран - до 600°С, двуокись урана U02 - 2760°С);
  • 3) небольшая доля топливной составляющей в балансе стоимости вырабатываемой энергии (10-15% против 50-60% на ТЭС), которая при воспроизводстве ядерного топлива становится совсем ничтожной;
  • 4) последнее обстоятельство предъявляет к АЭС не только требование высокого термического КПД цикла, но и максимальной единичной мощности, позволяющей снизить капиталовложения в строительство электростанций и энергосиловых установок судов.

Если обозначить тепловую мощность реактора Qt, то максимальная теоретическая мощность АЭС, кВт,

где г|/ - термический КПД цикла АЭС.

Можно получить

где /^-коэффициент теплопередачи от ядерного топлива к теплоносителю; Кнр - коэффициент неравномерности тепловыделения по радиусу реактора; Т0ир - предельно допустимое значение температуры наиболее напряженной поверхности твэла; F - омываемая площадь поверхности твэлов реактора.

где Г|ср - средняя температура подвода теплоты в цикле; Т2ср ~ средняя температура отвода теплоты в цикле.

Следовательно,

Из формулы (4.9) видно, что с повышением температуры Т[ср подвода теплоты в цикле тепловая мощность реактора Qy уменьшается, а термический КПД цикла г|t возрастает.

Отсюда можно найти оптимальную среднюю температуру подвода теплоты в цикле, взяв первую производную выражения (4.9) d^MaKC /$г и приравняв ее нулю. В результате получим

и соответственно ей оптимальное значение термического КПД

Из полученных результатов очевидна роль значения предельной температуры тепловыделяющих элементов Т0п.

Как видно из выражений (4.7) и (4.11*), чем больше Г0пр, тем больше оптимальный КПД т°т, тем больше оптимальная средняя температура подвода теплоты в цикле 7’1<^г. При этом с увеличением 7^ выделение теплоты согласно уравнению (4.7), увеличивается. Таким образом, увеличивается электрическая мощность атомной установки.

Согласно изложенному, в зависимости от допускаемой предельной температуры 7^ различают так называемые реакторы низкотемпературные и высокотемпературные.

Высокотемпературные реакторы позволяют повысить давление и температуру пара в цикле АЭС. Они обеспечивают наибольшую эффективность при более простой схеме станции. Они рассчитаны на применение воды в качестве теплоносителя.

Одним из путей повышения параметров пара АЭС является использование газовых (С02, воздуха, гелия, аргона) и жидкометаллических (натрия, сплава натрия с калием) теплоносителей в реакторе, позволяющих достигнуть высоких параметров пара непосредственно во вторичном контуре двухконтурной АЭС.

Электрическая мощность атомной установки определяется из выражения

где roj - относительный внутренний КПД турбины; г|м - механический КПД; т|г - КПД электрического генератора; т|сн - КПД оборудования собственных нужд установки.

В настоящее время наиболее широко применяются паротурбинные ядерные установки, реже - газотурбинные. Для повышения эффективности в них используются все рассмотренные выше усовершенствования (способы): регенерация теплоты, промежуточный перегрев пара, парогазовые и бинарные циклы и т. д.

Основное назначение ядерных установок - выработка электроэнергии на электростанциях, но они устанавливаются также на крупных судах и на подводных лодках.

В России применяют и строят главным образом паротурбинные установки.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >