За рубежом ведутся активные исследования и разработки ядерных реакторов, охлаждаемых тепловыми трубами. Особенно эффективно их применение в энергоустановках малой и сверхмалой мощности, поскольку удельные затраты установок с циркулирующими теплоносителями при малых мощностях особенно велики.
В ближайшем десятилетии следует ожидать появления ядерных реакторов пятого поколения, не требующих применения каких-либо механизмов и машин, а также затрат механической и электрической энергии на циркуляцию теплоносителя. Уже сейчас существуют разработки реакторов с тепловой мощностью в десятки мегаватт, охлаждаемых тепловыми трубами. Это достаточно широкая ниша в атомной энергетике. По мере накопления практического опыта эта ниша может расширяться в сторону более высоких мощностей.
Ниже приведен краткий обзор некоторых современных проектов ЯЭУ с тепловыми трубами.
Мобильный быстрый реактор
В патенте US10643756 Mobile Heat Pipe Cooled Fast Reactor System (авторы Ray M.P., Duff D.D., Irvin P.D. и др.), опубликованном в 2020 году, описан мобильный быстрый реактор, охлаждаемый системой тепловых труб. Тепловыделяющие элементы и тепловые трубы заключены в единый металлический блок. Реакторная установка предназначается для энергообеспечения арктических районов и удаленных военных баз. Тепловые трубы с калием в качестве теплоносителя выходят за пределы активной зоны и осуществляют подвод тепла к энергопреобразователю. Система аварийного отвода тепла также работает на принципе тепловой трубы.
Электроэнергия вырабатывается газовой турбиной с разомкнутым циклом на воздухе, или с замкнутым циклом на СО2. Температура газа (воздух) на входе в турбину 1000К, температура тепловых труб 1100К. Рассматриваются установки с электрической мощностью от 100 кВт до 2 МВт. Общий вид реакторной установки в транспортном положении и устройство её активной зоны показаны на рис. 1. На этом рисунке показан только реакторный блок с теплообменником и радиационной защитой. Свободное место на платформе предназначено для турбогенератора и блока управления.
Мобильная реакторная установка в транспортном положении
Реакторный блок
eVinci
В настоящее время Westinghouse совместно с LANL и INL ведет разработку микрореактора eVinci мощностью от 0,2 до 15 МВт(э), в котором отвод тепла из монолитной активной зоны производится тепловыми трубами с натрием (Y. Arafat eVincitm Micro Reactor/ Nuclear Plant Journal, March-April 2019). Применение тепловых труб позволяет сделать реактор компактным, транспортабельным и устанавливаемым на площадку менее, чем за неделю. Реактор способен работать без перегрузки 10 лет. В 2023 году планируется испытать демонстрационный образец, а в 2025 году eVinci должен быть готов к коммерческому использованию. Данных о преобразователе энергии микрореактора eVinci в открытых источниках не приводится, но рабочая температура соответствует машинному преобразованию. Ограниченные данные по характеристикам eVinci свидетельствуют о заинтересованности в этой установке министерства обороны США.
Aurora
Еще один современный проект – микрореактор Aurora мощностью около 1,5 МВт(э), в котором тепло от активной зоны передаётся в теплообменники посредством тепловых труб с калием. В 2020 году компанией "Oklo" подана заявка на получение лицензии на строительство и эксплуатацию этой реакторной установки на территории INL. Стоимость строительства этого микрореактора оценивается порядка 10 миллионов долларов. Расходы на эксплуатацию и обслуживание оцениваются менее 3 миллионов долларов. (Источник: AtomInfo.ru)
SAIRS
В США рассматривается проект масштабируемой космической установки SAIRS (Scalable AMTEC Integrated Space Power System) с термоэлектрохимическими преобразователями энергии (англоязычная аббревиатура – AMTEC – Alkali Metal Thermo-Electric Convertor).
Проект SAIRS
В этой установке натриевые тепловые трубы передают тепло от активной зоны ядерного реактора тепловой мощностью 400 кВт к термоэлектрохимическим преобразователям энергии AMTEC. Это сравнительно новые энергопреобразователи, ещё не использовавшиеся в космосе, способные обеспечить КПД 22–27% при относительно низкой температуре 1000–1123 К, что позволяет использовать в качестве конструкционных материалов современные жаропрочные нержавеющие стали. Ожидается, что эта установка будет иметь электрическую мощность 100–110 кВт. Неиспользованное тепло отводится тепловыми трубами с калиевым теплоносителем на холодильник-излучатель, состоящий также из калиевых тепловых труб плоской геометрии. Температура холодильника-излучателя 773 К. Активная зона реактора включает 60 модулей, состоящих из тепловой трубы и 3-х твэлов в рениевой оболочке. Модули расположены вплотную друг к другу и образуют треугольную упаковку. Оболочки твэлов на длине их активной части припаяны к корпусу тепловой трубы с помощью рениевых трехгранных вкладышей, передающих тепло от твэла к тепловой трубе за счёт теплопроводности. Каждый твэл имеет газовую полость с одного конца. В качестве топлива используются таблетки UN с обогащением 83,7%.
Рассматривается ряд аналогичных проектов различной мощности с различным числом энергопреобразователей с целью оптимизации удельных массогабаритных характеристик системы.
Kilopower
В США создаётся компактный ядерный реактор Kilopower для обеспечения исследовательских баз на Марсе. Реактор Kilopower с высокообогащённым уран-молибденовым топливом тепловой мощностью 13 кВт охлаждается 18 натриевыми тепловыми трубами, передающими тепло на термоэлектрические преобразователи. Температура топлива 1200К, температура в зоне конденсации тепловых труб 1100К. Системный КПД 8 % при температуре горячих спаев 1050К, а холодных спаев 525К.
Тот же реактор в комплекте с двигателями Стирлинга в качестве преобразователей энергии произведёт 3 кВт электричества, используя 8 преобразователей мощностью 400 Вт каждый. Системный КПД составит 23 % при температуре на горячем конце 950К, а на холодном — 475 К.
Тепло сбрасывается холодильником-излучателем с водяными тепловыми трубами, изготовленными из титана. В 2017-2018 гг. проведены наземные испытания реактора с 8 преобразователями Стирлинга мощностью по 125 Вт. Рассматриваются варианты реактора с электрической мощностью до 10 кВт. По расчетам NASA, первому поселению на Марсе достаточно всего пяти микрореакторов по 50 кВт, чтобы продержаться до прибытия следующего грузового корабля.
Проект Kilopower, начатый в 2015 году, стоимостью 15 млн. долларов, включал проектирование, создание и тестирование прототипа. К настоящему времени проведены наземные испытания прототипа с высокообогащенным топливом на испытательном полигоне в Неваде. В дальнейших планах США — не более чем за 10 лет провести испытания в условиях, моделирующих условия на Марсе, и летные испытания.
Производство водорода
В 2017 году опубликован концептуальный проект гибридного теплообменника (Heat Pipes-Thermosyphon Intermediate Heat Exchanger, HPTIHEX) с тепловыми трубами для связи высокотемпературного реактора (Very High Temperature Reactor, VHTR) на 600 МВт (т) с температурой на выходе 900–1300 К, с комплексом производства водорода. Кроме того, реактор производит и электрическую энергию с высокой эффективностью (48%). Из соображений безопасности ядерный реактор должен располагаться на расстоянии 110–140 м от комплекса производства водорода. Для передачи тепла на это расстояние используется наклонный термосифон с натрием диаметром около 270 мм, передающий 50 МВт тепла при температуре до 1000 °С. Такой способ передачи тепла позволит реализовать безопасное производство электроэнергии высокотемпературным реактором и эффективно предотвратить последствия возможного самовоспламенения водородного комплекса.
