Глава 2. Способы преобразования энергии деления в полезную работу

1. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

При преобразовании энергии часть ее теряется. Если в некоторой машине или аппарате осуществляется процесс преобразования и/или пе­редачи энергии, то эффективность этого процесса обычно характеризуют коэффициентом полезного действия (КПД). Схема такого устройства имеет вид, избраненный на рис. 2.1.

КПД определяется как отношение полезной работы к подведенной энергии η=E_пол/E_под . Из закона сохранения энергии E_под = E_пол + E_пот, тогда

Из курса термодинамики известно, что для непрерывного получения работы из теплоты необходимо иметь рабочее тело, которое осуществля­ло бы последовательность круговых процессов, т.е. таких процессов, при которых оно периодически возвращалось бы в исходное состояние. В каждом цикле кругового процесса рабочее тело получает некоторое ко­личество теплоты Q, от первичного источника энергии (в нашем случае от ядерного топлива) при достаточно высокой температуре и отдает меньшее количество теплоты Q₂ окружающей среде (воде, воздуху).

Так как рабочее тело после цикла возвращается в исходное состояние и не меняет свою внутреннюю энергию, то, в соответствии с законом сохранения энергии, разность теплот превращается в работу

L = Q₁ - Q₂.

Возможность и эффективность преобразования теплоты в другие виды энергии (механическую, электрическую), в первую очередь, опре­деляется температурой, при которой теплота Q₁ может быть передана рабочему телу. Температура, при которой отдается теплота Q₂, также существенна.

Однако поскольку теплота отдается окружающей среде, то реально эта температура изменяется в нешироких пределах, определяе­мых колебаниями температуры окружающей среды.

Эффективность преобразования теплота в работу оценивают термическим КПД: η=L/Q₂=1-Q₂/Q₁. Из курса термодинамики известно, что, если задана абсолютная температура T₁ подвода теплоты Q₁ и температура T₂ отвода теплоты Q₂ , то максимально возможный КПД

η_{t, max}=1-T₂/T₁

Такой КПД теоретически может быть получен в так называемом цикле Карно, который на практике не реализуется. Все реальные циклы, у которых наивысшая температура подвода теплоты T₁, а наинизшая температура отвода теплоты T₂, могут иметь термический КПД

η_t≤1-T₂/T₁

At! Таким образом, конструкция ящерного реактора должна быть такой, чтобы температура топлива и соответственно теплоносителя была максимально возможной. В этом случае эффективность реактора как тепловой машины будет максимальной.

2.2.Преобразование теплоты в электроэнергии через механическую работу

На всех АС тепловая энергия, получаемая в ядерном топливе, пре­вращается в механическую при расширении пара в турбине, которая в свою очередь вращает электрогенератор, вырабатывающий электричество. Паросиловая установка, упрощенный вид которой схематически изображен на рис. 2.2 , включает 1 - источник тепла, 2- паровую турбину. 3 - конденсатор, 4 - насос.

Паросиловые установки работают по так называемому циклу Ренкина, т.е. по циклу, в котором рабочее тело при высоких температурах является паром и в виде пара совершает работу в турбинах, а при низких температурах - жидкостью. Поскольку жидкость практически несжимаема, то насос 4, служащий для подъема давления и циркуляции рабочего тела, потребляет относительно мало энергии L_H. Максимальный КПД есть

В ядерной энергетике может быть несколько вариантов передачи тепла рабочему телу:Q₂

1. источник тепла I - сам реактор:

2. источник тепла I - теплообменник, к которому тепло подводится от реактора через промежуточный контур, как показано на рис. 2.3 ;

3. ставится несколько промежуточных теплообменников, как на рис. 2.4.

Такая традиционная схема преобразования тепла в электричество и ее влияние на особенности конструкций собственно ядерных реакторов далее обсуждаются достаточно обстоятельно в соответствующих главах. Максимальный КПД, которого можно достичь в этой схеме, составляет 33-40%.