Термоакустические источники энергии

Татарин>>>

Скажи как дядя, ведь не даром???

Не ты ли это, сынку???

Татарин
#7568 25.04.2017 07:40:47
По теме топика - мне все никак не дает покоя моя совершенно гениальная мысль скрестить ядерный реактор с термоакустикой и МГД-преобразованием.
Термоакустика идеальна для космического реактора потому что работает в широком диапазоне температур и не требует дополнительной массы: только сама труба с теплоносителем и теплообменники (которые есть при любом раскладе). И если мы это дело помещаем в магнитное поле, то прямо с газа в реакторе можем снимать пригодный электрический переменный ток - который сразу же, не отходя от кассы можем повышать внешней катушкой отбора до любого напряжения.
Уровень облучения в работающем ядерном реакторе заведомо достаточен, чтобы поддерживать сверхвысокую ионизацию в неравновесной (холодной) плазме. Внутри реактора не нужно иметь 3000С и цезий, при мегарадах в секунду все и так замечательно.

И что имеем, кроме, собссно, реактора из оборудования?
Трубу. Магнит. Все.
И никаких движущихся частей. Надежность абсолютная.
И неплохой КПД: для термоакустического стирлинга с кольцевым резонатором достижимы 50-80% от Карно.
И....ну красота же сплошная!

 

P.S. Внезапно © становятся очевидны скрытые мотивы
P.S.S. А идея отменно хороша!!!

Татарин>>>>
Wyvern-2> Скажи как дядя, ведь не даром???
Wyvern-2> Не ты ли это, сынку???
Я.

Именно потому, что поиграл с термоакустикой.

Если интересен серьёзный, технический разговор о ней, то главная беда и засада стирлинга (как и всех машин с внешним подводом тепла) - теплообмен поверхности с рабочим телом. Собссно, на этом теплообмене паровики всех видов окончательно и бесповоротно выиграли у стирлингов, несмотря на их теоретические преимущества. Теплообмен "поверхность-жидкость" настолько лучше теплообмена "поверхность-газ", что радикальное снижение температурных напоров при приемлимой материалоёмкости окупает все недостатки неоптимальной PV-траектории.
Понимаешь, нет никакой радости с высокого КПД преобразования тепла в работу в газе, если тепло в газ входит (и выходит) теряя сотни кельвинов. Лучше немного от дофига, чем дофига от нифига. Собссно, вокруг этого вся история стирлингов и крутится: либо дико большие и громоздкие теплообменники, небольшая дельтаТ и высокий КПД... но малая мощность. Либо более-менее мощность при фиговой, но приемлимой материалоёмкости, но сразу фиговый реальный end-to-end КПД.
Вилка.
Из которой сколько ни пытались выйти хайтечными извращениями с гелием-водородом, с хитровыделанной микропористой керамикой, всё равно получалось так себе даже при космической цене (см. космические технологии KILOPOWER, например).

Всё это резко усугубляется с ростом мощности (не удельной, а абсолютной). Потому что это рост частоты и увеличение размеров, а размеры - это куб (объём)-квадрат (поверхностей). И проблемы с быстрым подводом теплоты растут. Растут и проблемы с теплообменом внутри газа, что лишает процесс требуемой для высокого КПД квазиравновестности (ну, если у тебя кусочек газа в нагревателе нагрет, кусочек газа там же - нет, то нагретая область расширяется в сторону ненагретой, совершая работу совершенно бесполезно для тебя, фактически - энтропийно). А повлиять на теплообмен внутри газа нельзя даже на счёт роста материалоёмкости, так что всё останавливается после закачки внутрь водорода... и начинается выискивание блох, когда прямо перед глазами налево уходят огромные слоны, недоступные для поимки.

И всё это же резко усугубляется со снижением доступного к работу перепада температур. Одно дело, если у тебя перепад 400С и ты 50С перепада теряешь на теплообменниках. И совсем иное дело, если у тебя весь перепад 100С, и ты теряешь те же 50С, но уже из 100С доступных. То есть, именно на низкотемпературных стирлингах битва за скорость теплообмена становится совершенно эпической.

Именно поэтому, несмотря на известность и красоту принципа никто не может соорудить на его основе что-то более-менее серийное и полезное. Куча лаб работает, но на выходе - демонстраторы. КОторые, собссно, и демонстрируют, насколько сложно и дорого сделать даже в лаборатории и с неограниченым (практически) бюджетом на установку что-то с приличным реальным КПД.
Именно вот поэтому. А не потому что заговор, и не потому, что все тупые-тупые.

...
Теперь, почему я, ничтоже сумняшися, предложил эту фигню с реактором, даже зная о всех этих проблемах и мучениях очень умных людей, которые знают термодинамику круче меня и всех собак поели на проблемах теплообменах с газом/в газе.
По трём причинам.
Первая - очевидна: высокие (теоретически - сколь угодно высокие, практически - очень высокие) температуры.
Вторая: реактор - это машина, которая генерирует тепло прямо у себя внутри. Греется каждая частичка ядерного топлива, что даёт ни с чем несравнимую возможность подводить тепло от точки генерации прямо в газ. Если топливо - микропористая керамика, то не нужно тащить тепло через неё снаружи со всеми потерями, мы просто отдаём тепло с поверхности, причём, можем даже непосредственно энергией осколков, а небольшая (но значимая) доля идёт через излучение прямо в рабочее тело.
Третья - возможная близость и даже совмещение нагревателя и немеханического преобразователя.

В итоге из всех обычных проблем термоакустики остаётся лишь одна - вывод тепла из машины. Которое может производиться при высоких температурах (когда теплообмен более эффективен), чем обычно, а сбросное тепло имеет достаточно высокий потенциал, чтобы использоваться для преобразования в механическую работу. ФИшка термоакустики в реакторе в том, что она может использовать тепло внутри топлива, и перепад температур, который обычно используется лишь для энтропийной доставки тепла изнутри топлива наружу. Тут же часть этой эксергии извлекается сразу в виде электричества, условно-бесплатно.

Собссно, в этом и суть предложения.

Но, наверное, это нужно перенести уже в другую какую-то ветку, потому что связи с ВИЭ тут уже почти никакой.

Татарин>>>>>
Wyvern-2>> Скажи как дядя, ведь не даром???
Wyvern-2>> Не ты ли это, сынку???
Татарин> Я.
Татарин> Именно потому, что поиграл с термоакустикой.
Татарин> Если интересен серьёзный, технический разговор о ней, то главная беда и засада стирлинга (как и всех машин с внешним подводом тепла) - теплообмен поверхности с рабочим телом.

Во-1х IMHO надо сразу переходить на газофазный реаХтур на гексафториде (и пофиг свободный фтор - плазменное покрытие из фторидов решает вопрос)
Во-2х главный и неустранимый недостаток твоей схемы - это то, что ты опоздал родиться (ну, в условии того, что ты знал бы о термоакустическом Стирлинге уже тогда ) Ибо стоимость НИОКР, особенно испытанийпросто зашкаливает - ее невозможно испытать ПО ЧАСТЯМ...

Wyvern-2> Во-1х IMHO надо сразу переходить на газофазный реаХтур на гексафториде (и пофиг свободный фтор - плазменное покрытие из фторидов решает вопрос)
Я думал о гексафториде как рабочем теле, закрытом внутри топлива, но проблем больше, чем можно переварить.

Wyvern-2> Во-2х главный и неустранимый недостаток твоей схемы - это то, что ты опоздал родиться (ну, в условии того, что ты знал бы о термоакустическом Стирлинге уже тогда ) Ибо стоимость НИОКР, особенно испытанийпросто зашкаливает - ее невозможно испытать ПО ЧАСТЯМ...
Нет, ничуть. Принипиально испытать акустику можно с, допустим, микроволновым нагревом топливной керамики, это небольшая проблема. Ессно, что ядерный нагрев будет сколько-то отличаться, но дивайс должен не только в сборе испытываться, он и работать должен в сборе, а не по частям. Так что это всего лишь очень дорого (как и любой ядерный дивайс), но не недоступно.

Wyvern-2>> Во-1х IMHO надо сразу переходить на газофазный реаХтур на гексафториде (и пофиг свободный фтор - плазменное покрытие из фторидов решает вопрос)
Татарин> Я думал о гексафториде как рабочем теле, закрытом внутри топлива, но проблем больше, чем можно переварить.

И далее - ты НЕ понял Я про гексафторид урана и как рабочее тело и как активную зону. Реактор - просто участок трубы, окруженный отражателем-замедлителем. Остальная труба покрыта поглотителем. Проблемы теплосъема нет вааще - тепло рождается прямо в рабочем теле...

Татарин> Но, наверное, это нужно перенести уже в другую какую-то ветку, потому что связи с ВИЭ тут уже почти никакой.

Попозже перенесу. И лучше - в закрытый.

Wyvern-2> Во-1х IMHO надо сразу переходить на газофазный реаХтур на гексафториде (и пофиг свободный фтор - плазменное покрытие из фторидов решает вопрос)

1) Фтор пакостен тем, что на 100% состоит из 19 изотопа. Будет жрать нейтроны и превращаться в неон-20.
2) Что делать с металлической (и не только) пылью, накапливающейся в реакторе?

Wyvern-2>>> Во-1х IMHO надо сразу переходить на газофазный реаХтур на гексафториде (и пофиг свободный фтор - плазменное покрытие из фторидов решает вопрос)
Татарин>> Я думал о гексафториде как рабочем теле, закрытом внутри топлива, но проблем больше, чем можно переварить.
Wyvern-2> И далее - ты НЕ понял Я про гексафторид урана и как рабочее тело и как активную зону.
Не выйдет.

В маленьком реакторе - критмассу не наберёшь. В большом - термоакустика теряет смысл целиком и полностью.

Смотри: закон Авогадро - ~45 молей на кубометр, 352 грамма на моль, 15 кило на кубометр при н.у. При 200атм - 3 тонны на куб, из них две - тяжёлого металла, а остальное - фтор.
Просто чтобы завести реактор, урана нужно много, даже без СУАЗ в зоне, с управлением через отражатель и утечку нейтронов. Впрочем, всё равно никакой СУАЗ там жить не будет.

А теперь взгляни на этого монстра и скажи, зачем там термоакустика вообще? и что делать с десятками МВт звука, упирающегося в стенки?

Sandro> 2) Что делать с металлической (и не только) пылью, накапливающейся в реакторе?
Да, осколки и деградация газа - это отдельная тема.

Sandro>> 2) Что делать с металлической (и не только) пылью, накапливающейся в реакторе?
Татарин> Да, осколки и деградация газа - это отдельная тема.

Тбе уже давали как то сЦылочко: Атомная энергия. Том 5, вып. 3. — 1958 — Электронная библиотека «История Росатома»

И да - на ФСЕ ваши вопросы у меня есть ответы Когда перенесу - тогда и поговорим.

Wyvern-2> И да - на ФСЕ ваши вопросы у меня есть ответы Когда перенесу - тогда и поговорим.

И куда это переедет?

Naib> И куда это переедет?
И главное, почему в закрытый?

Sandro>>> 2) Что делать с металлической (и не только) пылью, накапливающейся в реакторе?
Татарин>> Да, осколки и деградация газа - это отдельная тема.
Wyvern-2> Тбе уже давали как то сЦылочко: Атомная энергия. Том 5, вып. 3. — 1958 — Электронная библиотека «История Росатома»
Wyvern-2> И да - на ФСЕ ваши вопросы у меня есть ответы Когда перенесу - тогда и поговорим.
Там еще и вопросы на ответы, которые на наши вопросы.
И на эти вопросы ответов не нашли. Отчего на стендах всё и закончилось.

Посмотри диаграмму устойчивости гексафторида: энергетически он менее выгоден, чем (твёрдый) тетрафторид, и чуть что - норовит сползти до этого неприятного состояния. Кроме того, норовит, гад, поразлагаться при повышении температуры.
Что на стенде лечили добавлением трифторида хлора (уже неплохо, да?), а чем лечить в реакторе, который работает на мегаваттных мощностях и больших температурах, имея мощность ионизации мегакулоны в секунду?

Всё-таки, если в те обезбашенные годы проектировки взрыволётов, ЯРД и рытья пробных водохранилищ мирным атомом не рискнули попробовать, значит, штука реально очень стрёмная. Да и в более позднее время не рискнули даже в виде космического ГфЯРД.

Это космический прожЭкт или земной?

Wyvern-2> Растворный реаХтор

При таком обогащении можно запускать уже и на простой воде, не обязательно тяжёлой. А вот рабочая температура мне не нравится. Это значит - вода под большим давлением (атмосфер эдак 70), следовательно прочность контуров и их исполнение вообще. Гидролиз соли, значит весьма агрессивная кислотная среда => спецматериалы (не нержавейка, и не факт что даже цирконий). Отражатели в конструкции.

Wyvern-2> Мощность
Скорее - 10-30 кВт.

Wyvern-2> Преимущества:

Да и вообще - Pu²³⁹. Его даже меньше понадобится.

Wyvern-2>
Не факт, не факт

Wyvern-2> Растворный реаХтор
А зачем тут именно термоакустика?

Ну и, конечно, побочных проблем тут можно огрести очень много - этот "Аргус" вовсе не такая простая и тривиальная штука, какой кажется.
Например, управление: для отвода тепла тебе нужно прокачивать до полулитра (4кДж * 50С * m) топливной смеси в секунду, то есть за 40с ты прокачиваешь АЗ полностью, со всеми запаздывающими нейтронами. ЧЕм больше ты прокачиваешь, тем больше нейтронов остаётся в АЗ, соотвественно, менее устойчиво управление. Если ты внезапно остановишь прокачку, получишь рост реактивности от четверти доллара до полудоллара, если ускоришь - соотвественно, потеряешь.

Wyvern-2> -малое, порядка 1-2кг при относительно малом обогащении - кол-во урана.(по сравнению с ЯЭУ)
Wyvern-2> -высокий по сравнению с термоэмисионными генераторами К.П.Д., порядка 15-25%
Почему? Какая температура сбросного тепла?

Татарин> Ну и, конечно, побочных проблем тут можно огрести очень много - этот "Аргус" вовсе не такая простая и тривиальная штука, какой кажется.

И при этом Аргус существенно проще проекта Ника.
Впрочем, подождём ответа

Wyvern-2> 1. Растворные реакторы - самоуправляемые, с глубокой отрицательной реактивностью.

Страшно из общих соображений : адски радиоактивная и ядовитая жидкость уже есть штатно, любая протечка - беда.По-видимому поэтому их и нет.

Wyvern-2>> 1. Растворные реакторы - самоуправляемые, с глубокой отрицательной реактивностью.
digger> Страшно из общих соображений : адски радиоактивная и ядовитая жидкость уже есть штатно, любая протечка - беда.По-видимому поэтому их и нет.

"Аргус" предназначен для наземного применения, причем подчеркиваю - даже в жилой застройке! С протечками умеют бороться даже сантехники без образования.
НО! - Мы говорим только и исключительно О КОСМИЧЕСКОМ ПРИМЕНЕНИИ. Вместо РИТЭГ-ов и твердотельных реакторов малой мощности. И только в свете ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ВЫГОДЫ -а не технологического превосходства. Замена десятков килограммов дорого Pu²³⁸ или десятков килограммов высокобогащенного U²³⁵ на килограмм-другой низкообогощенного U^235.
При старте никакой опасности, по сравнению с тем же плутонием НЕТ - р-р урана малоактивен. Ну, а если в космосе инопланетяне будут недовольны - их проблемы

P.S. И кто тебе сказал, что неактивный (до начала работы реактора) р-р уранил сульфата ядовит?

Растворный реактор при выбранной концентрации уранилсульфата обладает по объему минимальной критмассой. Случайное разбавление раствора водой, хотя и увеличивает его объем, снижает реактивность. Выпаривание раствора, хотя и увеличивает концентрацию в нем урана, также снижает реактивность. Реактор обладает отрицательным коэффициентом реактивности по мощности и температуре раствора.  

 

Wyvern-2> НО! - Мы говорим только и исключительно О КОСМИЧЕСКОМ ПРИМЕНЕНИИ. Вместо РИТЭГ-ов и твердотельных реакторов малой мощности. И только в свете ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ВЫГОДЫ -а не технологического превосходства. Замена десятков килограммов дорого Pu²³⁸ или десятков килограммов высокобогащенного U²³⁵ на килограмм-другой низкообогощенного U^235.

...или десятки кг дешёвого стронция-90. Такие копейки, что даже по берегам дальних морей разбросать не жалко. А утяжеление РИТЭГа - ну процентов на 20.

Wyvern-2> 1. Растворные реакторы - самоуправляемые, с глубокой отрицательной реактивностью. Малейший перегрев вызывает кипение с образованием паровых пузырьков (+пузырьков газа от радиолиза) и падение реактивности, так как пузырьки - НЕ замедлитель.

Ты уверен, что этот механизм будет работать при выбранных тобой параметрах жидкости?

Wyvern-2>> НО! - Мы говорим только и исключительно О КОСМИЧЕСКОМ ПРИМЕНЕНИИ.... И только в свете ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ВЫГОДЫ -а не технологического превосходства.

Fakir> ...или десятки кг дешёвого стронция-90.
Кто тебе сегодня разрешит выводить хотя бы 100 грамм стронция? Ты фсе еще в 60-х живешь....

И АГА - стронций⁹⁰ ДОРОЖЕ U²³⁵