Введение к работе
Актуальность темы. Дальнейшее развитие ядерных энерготехнологических установок предполагает создание совершенных систем производства энергоносителей на основе хемотермических технологий аккумулирования тепловой энергии ядерных энергоисточников, условно разделённых на два класса: к первому относятся хемотермические технологии преобразования тепловой энергии высокотемпературных ЯЭИ для производства из воды и метана водорода и содержащих его энергоносителей с последующим их использованием для энергоёмких процессов и хемотермического транспорта тепловой энергии, ко второму классу можно отнести хемотермические энерготехнологии в составе ЯЭИ различного типа для аккумулирования и передачи тепловой энергии с помощью термохимических материалов и возможностью преобразования этих материалов в электроэнергию пиковой нагрузки.
Диссертационная работа направлена на повышение эффективности ядерных энерготехнологических установок, надежности их функционирования, обеспечение требований энергосистем и промышленности за счет использования наиболее эффективных и экономичных хемотермических систем и технологий аккумулирования энергии ядерных реакторов и разработки наиболее совершенных схем и параметров таких систем и технических решений для их реализации.
Цель работы заключалась в научном обосновании технических разработок хемотермических систем и технологий аккумулирования энергии ядерных реакторов, имеющих существенное значение для расширения сферы применения и повышения эффективности ядерных энергоисточников на базе производства водорода, энергообеспечения энергоёмких промышленных потребителей и транспорта, а также работы в разуплотнённых графиках электрической нагрузки.
Для ее достижения были разработаны экспериментальные и расчётные методы определения термодинамических и кинетических параметров, энергетической эффективности отдельных элементов хемотермической технологии и энерготехнологической системы в целом.
Научная новизна. Для системного решения задач исследования автором создана и впервые представлена концепция энерготехнологических систем аккумулирования и транспорта энергии с применением хемотермических технологий, позволяющая существенно поднять эффективность использования ЯЭИ.
Автором впервые представлены теоретические положения по выбору эффективной хемотермической технологии с применением адиабатической паровой конверсии метана, также путей её практического применения в энерготехнологических системах.
Впервые предложены и обоснованы по технологии и выбору оборудования хемотермических установок теплоэнергоаккумулирования, в том числе с применением в качестве рабочего тела диоксида углерода сверхкритических параметров с сорбционной и криогенной системой запасения рабочего тела, защищённые патентами на изобретения.
Впервые приведено расчётно-экспериментальное обоснование предложенной автором системы передачи тепла от ВТГР к технологическому контуру с применением технологического пара, перегреваемого вместе с водородосодержащей средой в первом контуре, выполненное применительно к разработанной схеме передачи тепла для установки МГР-Т мощностью 600 МВт (тепл) с учётом выявленных факторов радиационной и пожаровзрывобезопасности, найдены и рекомендованы технологические решения по их обеспечению применительно к атомно-водородному комплексу производительностью более 400 тыс. т водорода/год.
Практическое значение работы. Разработанные в диссертационной работе новые положения систем производства водорода и хемотермического аккумулирования энергии ядерных энергоисточников, на основе которых впервые представлен выбор эффективной технологии производства водорода с помощью высокотемпературного ЯЭИ, позволяют провести комплексную разработку и создание крупномасштабного производства водорода, повысить эффективность создаваемых новых образцов ЯЭИ, усовершенствовать и расширить применение ядерно-энергетических объектов отрасли, повысить качественные результаты разработок.
Полученные автором решения задач аккумулирования и транспорта тепловой энергии и моделирования устройств для их осуществления позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований или полностью их исключить, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на отработку изделий. Кроме этого, отдельные теоретические результаты являются определенным вкладом в общую теорию таких наук, как термодинамика и теплофизика ядерных энергоустановок.
Разработанные и запатентованные схемы, параметры, составы рабочих тел и проектные решения по технологии и техническим средствам электро- и теплогенерации с ЯЭИ различного типа на основе высокоэффективных аккумулирующих углекислотных циклов высокого давления с сорбционным накоплением позволяют поднять качественные показатели известных устройств на основе низкотемпературных ЯЭИ, повысить их эффективность и энерговыработку. Идеи некоторых оригинальных устройств могут быть использованы при проектировании новых технических систем машиностроения.
Результаты экспериментальных исследований по водородопроницаемости и равновесию парогазовых смесей, явлений и процессов, приведенные в работе, представляют практический интерес при проектировании новых и модернизации известных устройств и механизмов в энерготехнологических системах, позволяют уточнить представление о протекающих процессах, сопутствующих процессам преобразования тепловой энергии в химические энергоносители.
Автор выносит на защиту:
-
Системный анализ отечественных и зарубежных разработок систем производства водорода и хемотермического аккумулирования энергии ядерных энергоисточников, на основе которых впервые представлен выбор эффективной технологии производства водорода с помощью высокотемпературного ЯЭИ, позволяющей провести комплексную разработку и создание крупномасштабного производства водорода на основе предложенной и обоснованной автором технологии адиабатической паровой конверсии метана, также путей её практического применения в энерготехнологических системах.
-
Созданные и защищенные авторскими свидетельствами и патентами новые устройства и способы хемотермического аккумулирования энергии ядерных энергоустановок, позволяющие существенно расширить сферу применения и поднять эффективность использования ЯЭИ.
-
Разработанные теоретические положения: концепция атомно-водородной энергетики, математические модели схем и параметров ядерных энерготехнологических установок, методические подходы к определению эффективности комбинированных ядерно-энергетических систем производства тепловой и электрической энергии с неравномерными графиками их потребления, предложенные автором решения по технологии и выбору оборудования хемотермических установок теплоэнергоаккумулирования с применением в качестве рабочего тела диоксида углерода сверхкритических параметров с сорбционной и криогенной системой запасения рабочего тела.
-
Расчётно-экспериментальное обоснование предложенной автором системы передачи тепла от ВТГР к технологическому контуру с применением технологического пара, перегреваемого вместе с водородосодержащей средой в первом контуре, выполненное применительно к разработанной схеме передачи тепла для установки МГР-Т мощностью 600 МВт (тепл) с учётом выявленных факторов радиационной и пожаровзрывобезопасности, найдены и рекомендованы технологические решения по их обеспечению применительно к атомно-водородному комплексу производительностью более 400 тыс. т водорода/год.
Личное участие автора состоит в постановке и организации всех исследований, участии в создании экспериментальных установок, разработке методик и участии в проведении экспериментов, обработке, обсуждении и изложении результатов, разработке технических решений. Ряд вопросов изложенных в диссертации, разработан в соавторстве с сотрудниками РНЦ «Курчатовский Институт».
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в двух монографиях, в статьях опубликованных в журналах “Атомная энергия”, «Наука и техника в газовой промышленности», «Российский химический журнал», «Тяжелое машиностроение», «Теплоэнергетика», «International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology», "Kerntechnik”, "International Journal of Hydrogen Energy”, “Transactions of American Nuclear Society”, в сборнике “Вопросы атомной науки и техники”, в трудах Всероссийских и Международных конференций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных семинарах «Атомно-водородная энергетика и технология» (Москва, 1978-1988 гг.); Международной конференции «50 лет атомной энергетике», Обнинск, 2004 г.; Международных конференциях по водородной энергетике (Москва, 1988; Стамбул, 2005), Международном Форуме «Водородная энергетика для 21 века», Пекин, 2004 г.; Международном симпозиуме «Безопасность и экономика водородного транспорта», г. Саров, Россия, 2003г.; Европейской Ядерной Конференции, Версаль, Франция, 2005 г.; Международных конференциях «Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов», Москва, 2005 г.; Москва, 2007 г.; Второй Российской научно - технической конференции "Материалы ядерной техники" (МАЯТ-2) 2005 г., Агой (Краснодар. край); Первом Всемирном конгрессе «Альтернативная энергетика и экология», Н.Новгород, 2006 г.; Втором Международном форуме «Водородные технологии для развивающегося мира», Москва, 2008 г.; Конференции Американского ядерного общества, Бостон, 2007 г.; Международном симпозиуме по водородной энергетике, Москва, 2007 г.; Международном семинаре Росатом-Евратом по научно-техническому сотрудничеству в области реакторных технологий, Москва, 2007 г.; IV Международной конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности», Томск, 2007 г.; заседании Комитета по энергетике, транспорту и связи Государственной Думы РФ, г.Москва, 2007 г. Полностью работа доложена и обсуждена на заседании Ученого совета Института ядерных реакторов РНЦ «Курчатовский институт». По материалам диссертации опубликовано более 50 работ в отечественных и зарубежных изданиях, список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Предисловия, введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. В основных разделах работы рассмотрены технологии конверсии высокотемпературного тепла в высокоэффективные энергоносители (первая глава), технологии аккумулирования энергии ядерных реакторов (вторая глава), системы передачи высокотемпературного тепла (третья глава), сорбционные системы утилизации низкопотенциального тепла (четвертая глава).
Все разделы диссертации связаны между собой единством объектов исследования и целенаправленной систематикой их выбора, определяемой решением поставленных задач, общностью свойств систем обсуждаемых в работе, единой точкой зрения и подхода к объяснению наблюдаемых явлений и единством цели, которой посвящена работа – созданию физических и химических основ для осуществления высокотемпературных процессов с участием хемотермических систем с учетом требований, выдвигаемых при разработке ядерно-энергетических систем для новой технологической базы России. Общий объем диссертации составляет 365 страницы, включая 34 таблиц, 84 рисунков, библиографический список из 90 наименований.
