DOI: 10.55176/2414-1038-2021-4-213-233
Авторы
Верещагина Т.Н., Логинов Н.И.
Организация
АО «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского», Обнинск, Россия
Логинов Н.И. – главный научный сотрудник, доктор технических наук. Контакты: 249033, Калужская обл., Обнинск, пл. Бондаренко, 1. Тел.: (484) 399-85-55; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
Верещагина Т.Н. – главный научный сотрудник, доктор технических наук.
Аннотация
В работе приведён обзор технических решений по использованию тепловых труб в ядерной энергетике, опубликованных в научно-технической и патентной литературе, а также приведены данные по применению тепловых труб в разрабатываемых и действующих энергоустановках с ядерным топливом. Приведённый обзор способов применений тепловых труб в атомной энергетике, показывает весьма широкие возможности использования этих теплопередающих устройств. Особенно эффективным представляется их применение в энергоустановках малой и сверхмалой мощности, при которой удельные затраты обычных установок с циркулирующими теплоносителями велики.
Тепловая труба представляет собой теплопередающее устройство, в котором перенос тепла осуществляется в результате процессов испарения и конденсации теплоносителя, циркулирующего под действием капиллярных или гравитационных сил. Тепловые трубы используются в различных отраслях промышленности, как за рубежом, так и в России. Первое техническое решение по использованию принципа работы тепловой трубы в ядерной энергетике опубликовано в 1957 году еще до появления устоявшегося термина «тепловая труба».
К настоящему времени в мире имеется около 300 патентов, в которых предлагаются различные технические решения по использованию тепловых труб в ядерной энергетике. В научно-технической литературе опубликовано несколько тысяч статей по разработкам ядерных реакторов с тепловыми трубами. Сделан вывод, что в ближайшем десятилетии следует ожидать появления ядерных реакторов пятого поколения, охлаждаемых тепловыми трубами и не требующих применения каких-либо механизмов и машин, а также затрат механической и электрической энергии на циркуляцию теплоносителя.
Ключевые слова
атомный реактор, обзор, тепловые трубы, термосифон, технические решения, патентные исследования, теплоноситель, передача тепловой энергии, космические ЯЭУ
Полная версия статьи (PDF)
Список литературы
- Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы. М.: Энергия, 1979. 72 с.
- Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. М.: Атомиздат, 1978. 256 с.
- Fowler T. A Description of the Patent Thermosiphon with Some Modes of Applying it to Horticultural and Other Useful and Important Purposes. London: Longman, Orme, Brown, Green and Longmans, 1829. 40 p. (цит. по Шилов В.В. Уравновешенная троичная система счисления и Томас Фаулер, 2009. Виртуальный компьютерный музей. Доступно на: http://www.computer-museum.ru/precomp/fauler.htm (дата обращения: 28.04.2018).
- Mr. Fowler of Devonshire¢s. Mode of Heating by Hot Water. The Gardener¢s Magazine, 1831, vol. VII, pp. 376–378. (цит. по Шилов В.В. Уравновешенная троичная система счисления и Томас Фаулер, 2009. Виртуальный компьютерный музей. Доступно на: http://www.computer-museum.ru/precomp/fauler.htm (дата обращения: 28.04.2018).
- Gaugler R.S. Heat transfer devices. Patent US 2350348, 06.06.1944.
- Gaugler R.S. Capillary heat transfer device for refrigerating apparatus. Patent US2448261, 31.08.1948.
- Grover G.M, Cotter T.R., Erickson G.F. Structures of Very High Thermal Conductivity. J. Apl. Physics, 1964, vol. 35, pp. 1190–1191.
- Grover G.M. Evaporation-condensation heat transfer device. Patent US3229759, 02.12.1966.
- Ritz H.L. Improvements in or relating to Nuclear Reactors. Patent GB785886, опубл. 06.11.1957.
- Atomic Energy Authority. Réacteur nucléaire à réfrigérant vaporizable. Patent FR1362881, 05.06.1964.
- Bohdansky J., Busse C-A., Grover G.M. Système de refroidissement pour réacteurs nucléaires. Patent BE673462, 08.06.1966.
- Busse C.A., Geiger G., Quataert O., Potzschke M. Heat Pipe Life Test at 1600 °C and l000 °C. IEEE Thermionic Specialist Conference, Houston, Texas, 1966, pp. 149–158.
- Термоэмиссионное преобразование энергии. Сб. статей под ред. Д.В. Каретникова, Р.Я. Кучерова, И.С. Мосевицкого. Перев с англ. М.: Атомиздат, 1971. 303 с.
- Бюссе К. Исследования тепловых трубок в Европе. В сб. Термоэмиссионное преобразование энергии. Cб. статей под ред. Д.В. Каретникова, Р.Я. Кучерова, И.С. Мосевицкого. Перев с англ. М.: Атомиздат, 1971. С. 206–216.
- Бюссе К., Гейгер Ф., Штруб Х, Петцшке М. Высокотемпературные литиевые тепловые трубы. В сб. Термоэмиссионное преобразование энергии. Сб. статей под ред. Д.В. Каретникова, Р.Я. Кучерова, И.С. Мосевицкого. Перев с англ. М.: Атомиздат, 1971. C. 221–228.
- Deverall J.E., et al. Orbital Heat Pipe Experiment. LA-3714. 1967.
- Deverall J.E., Kemme J.E. Satellite heat pipe. USAEC Report LA-3278. Los Alamos, Scient. Lab. Univ. of Calif., 1970.
- Гровер Г., Кемми Дж., Кедди Е. Успехи в технологии тепловых трубок. В сб. Термоэмиссионное преобразование энергии. Сб. статей под ред. Д.В. Каретникова, Р.Я. Кучерова, И.С. Мосевицкого. Перев с англ. М.: Атомиздат, 1971. С. 21–221.
- Wyatt T. A controllable heat pipe experiment for the SE-4 satellite. JHU Tech. Memo APL-SDO-1134, AD 695433. Jons Hopkins Univ., Appl. Phys. Lab., 1965.
- Feldman K.T., Witing G.H. The heat pipe and its potentialities. Engrs. Dig., 1967, vol. 28 (3), p. 86.
- Eastman G.Y. The heat pipe. Scient. American, 1968, vol. 218 (5), pp. 38–46.
- Feldman K.T., Witing G.H. Aplications of the heat pipe. Mech. Engng., 1968, vol. 90, no. 11. pp. 48–53.
- Cotter T.P. Theory of Heat Pipe. USAEC Report LA-3246-MS. Los Alamos, 1965.
- Cheung H. A Critical Review of Heat Pipe Theory and Application. Lawrence Livermore Laboratory, Livermore, Calif., 1968, UCRL-50453.
- Chisholm D. The heat pipe. London: Mills and Boom Ltd., 1970.
- McKechhlie J. The heat pipe: a list of pertinent references. Appl. Heat S.R. BIB. East Kilbride: Nat. Engineering Lab, 1972. Pp. 2–12.
- Ивановский М.Н., Субботин В.И, Сорокин В.П., Шустов М.В. Исследование тепло- и массопереноса в тепловой трубе с натриевым теплоносителем. ТВТ, 1970, т. 8, № 2, с. 319–325.
- Subbotin V.I., Ivanovskii M.N., Sorokin V.P., et al. Investigation of proses in liquid metal heat pipes with complex wick at low vapor tressure. Proc. Int. Heat Pipes Conf. Stuttgard, FRG, 1973. Paper 4-4.
- Mcclure P.R., Dixon D.D., Poston D.I., Mason L., Gibson M. Electric Fission Reactor for Space Applications. Patent US10276271, 2019-04-30.
- Mohamed S. El-Genk, Luis M. Palomino, Timothy M. Schriener. Modular (SLIMM-1.2) reactor. Nuclear Engineering and Design, 2017, vol. 316, pp. 163–185.
- El-Genk M.S., Tournier J-M. E. “SAIRS” – Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System. Progress in Nuclear Energy, 2004, vol. 45, no. 1, pp. 25–59.
- Fiebelmann P. Reacteur nucleaire heterogene Patent. BE684946, 16.01.1967.
- Fiebelmann P. Nuclear reactor. Patent GB1149946, 23.04.1969.
- Fiebelmann P., N.H. Buzzi U. Nuclear Power Plant for a Space Station. Patent GB122055, 27.01.1971.
- Hampel V.E. Underground nuclear power station using self-regulating heat-pipe controlled reactors. Patent US4851183, 25.07.1989.
- Mcclure P.R., et al. Mobile Heat Pipe Cooled Fast Reactor System. Patent US10643756, 2020.
- Loginov N. Development experience for experimental reactor facility cooled with evaporated liquid metals. Proc. of the Int. conf. on Fast Reactors and Ralated Fuel Cycles: Next Generation Nuclear Systems for Sustainable Development (FR-17). Yekaterinburg, 2017, IAEA-CN245-422.
- Логинов Н.И., Михеев А.С., Верещагина Т.Н. О разработке тепловых труб для ЯЭУ. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы, 2021, № 3, с. 158–166.
- Huebotter P.R., Mclennan G.A. Fast reactor power plant design having heat pipe heat exchanger. Patent US4560533, опубл. 24.12.1985.
- Loginov N., Mikheyev A. On Concept of Heat-Pipe Emergency Cooling System for Fast Sodium Fission Reactors. Proc. of the 12th Int. Heat Pipe Conference. Moscow-Kostroma-Moscow, 2002, pp. 444–447.
- Abe S., Koyama Y. Heat Transport Apparatus, and Cooling Device of Reactor Containment Vessel. Patent JP20110123454, 20.12.2012.
- Katsuki Ryoji; Shioyama Tsutomu; Iwaki Chikako; Yanagisawa Naomichi. Heat Transfer Device. Patent JP2015183952, 22.10.2015.
- Nanba Koji; Otsuka Masaya; Fujimura Koji. Nuclear power plant, fuel pool water cooling apparatus, and fuel pool water cooling method. Patent JP201223007, 22.11.2012.
- Wei Chuanqing; Wu Tong; Li Junfeng; Zhang Wenjun; Shuai Jianyun; Xiang Wenyuan; Lv Yonghong; Zhang Shoujie. Heat pipe cooling device for spent fuel water tank of pressurized-water nuclear power station. Patent CN202855320, 03.04.2013.
- Евтихин В.А., Чуманов А.Н. Космическая ядерная установка. Патент РФ 2129740, 27.04.1999.
- Болл Р.М., Мэдэрэс Дж.Дж. Термоэмиссионный ядерный реактор. Патент РФ 2159479, 20.11.2000.
- Ярыгин В.И., Купцов Г.А., Ионкин В.И., Овчаренко М.К., Ружников В.А., Михеев А.С., Ярыгин Д.В. Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль для активной зоны ядерного реактора с вынесенной термоэмиссионной системой преобразования тепловой энергии в электрическую (варианты). Патент РФ 2187156, 10.08.2002.
- Byrd A.W. Thermoelectric power system. Patent US3931532, 06.01.1976.
- Cinotti L., Negrini A. Space propulsion nuclear device. Application EP1748448, 31.01.2007.
- Юдицкий В.Д., Синявский В.В. Жидкометаллическая система охлаждения. Патент РФ 2173897, 20.09.2001.
- Юдицкий В.Д., Попов А.Н., Попова Е.Л., Соболев В.Я., Синявский В.В. Жидкометаллическая система охлаждения. Патент РФ 2213312. 27.09.2003.
- Чэн-И Лу. Преобразователь энергии. Патент РФ 2507635, опубл. 20.02.2014.
- Гулевич А.В., Зродников А.В., Иванов Е.А. и др. Применение ядерных фононных ракет для исследования дальнего космоса. Известия ВУЗов. Ядерная энергетика, 2002, № 2, с. 54–62.
- El-Genk Mohamed S., Tournier J-M.P. Reliable and safe thermal coupling of generation-IV VHTR to a hydrogen fuel production complex. Thermal Science and Engineering Progress, 2017, vol. 3, pp. 164–170.
- El-Genk M.S., Tournier J.-M.P. “SAIRS” – Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System. Progress in Nuclear Energy, 2004, vol. 45, no. 1, pp. 25–59.
- El-Genk M.S. Review Deployment history and design considerations for space reactor power systems. Acta Astronautica, 2009, vol. 64, pp. 833–849.
- Gibson Marc A., Oleson Steven R., Poston Dave I., McClure Patrick. NASA’s Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions. NASA/TM-2017-219467, 2017.
- Rucker Michelle A., et al. Solar Versus Fission Surface Power for Mars. AIAA 2016–5452, 2016.
- Bryan Smith, Lee Mason, Don Palac, Marc Gibson. Kilopower: Small and Affordable Fission Power Systems for Space. NASA Document ID: 20180000691. Available at: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20180000691.pdf (accessed 28.10.2021).
- Oleson Steven R., et al. Kuiper Belt Object Orbiter Using Advanced Radioisotope Power Sources and Electric Propulsion. Proc. of Nuclear and Emerging Technologies for Space 2011, NETS 2011. Albuquerque, 2011, paper 3487.
- Oleson Steven R., Ralph D. Lorenz, Michael V. Paul. Titan Submarine: Exploring the Depths of Kraken Mare. Доступно на: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150023026/downloads/20150023026.pdf (дата обращения 28.10.2021).
- Логинов Н.И., Пышко А.П., Михеев А.С., Денежкин И.А. Ядерный реактор с прямым преобразованием энергии за пределами активной зоны. Патент РФ 2650885, 18.04.2018.
- Arafat Y. eVinci Micro Reactor. Nuclear Plant J., Mach – April 2019, pp. 34–37.
УДК 621.039.52.034.6
Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Ядерно-реакторные константы, 2021, выпуск 4, 4:19
