Подземный ядерно-энергетический комплекс

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных источников и может использоваться в энергетике. Подземный ядерно-энергетический комплекс содержит наклонные У-образно расположенные скважины. Скважины сходятся нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой. Стволы всех скважин обсажены стальными трубами и противорадиационными экранами. В одном из стволов размещены жидкие радиоактивные отходы (ЖРО) или жидкое радиоактивное топливо. В стволах размещены матрицы, представляющие собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах. С матриц электрический ток снимается через трансформатор и далее накапливается на накопителе (ионисторе или батареях). Технический результат - повышение эффективности использования ядерных отходов при уменьшении площади энергетического комплекса, упрощение конструкции комплекса. 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии от радиоактивных источников с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованном различными полупроводниковыми материалами, и может использоваться в энергетике.

Известен комплекс теплоснабжения, описанный в книге Бермана Э. «Геотермальная энергия», М.: «Мир», 1978 г. (с.299, фиг.6.16, схема со вторичным теплоносителем).

Известный комплекс содержит эксплуатационную скважину, теплообменник, с контуром вторичного теплоснабжения с изобутаном, турбину с генератором, систему сброса геотермальной жидкости.

Недостатком известного комплекса является низкий процент использования тепла, т.к. вторичным теплоносителем является изобутан, за счет нагрева которого получают электроэнергию, а геотермальную, еще горячую воду сбрасывают, частично использовав для теплосети.

Известен комплекс теплоэлектроснабжения и обработки отходов, описанный в книге Дворова И.М. «Глубинное тепло земли». М.: «Наука», (см. Геотермальная станция с теплообменником, стр.110, рис.27).

Известный комплекс содержит эксплуатационную геотермальную скважину, теплообменник с контуром вторичного теплоносителя, турбину с генератором, конденсатор пара, насос и систему обработки отходов.

Недостатком известного комплекса является снижение температурных и упругих параметров пара перед турбиной, пониженный коэффициент полезного действия, узкий круг обрабатываемых отходов.

Известен комплекс теплоэлектроснабжения и обработки отходов производства, описанный в одноименном патенте РФ №16799 по кл. G21H 1/00, заявлено 17.08.2000 г., опубликовано 10.02.2001 г., и выбранный в качестве прототипа.

Известный комплекс теплоэлектроснабжения и обработки отходов производства содержит эксплуатационную геотермальную скважину, теплообменник, контур вторичного теплоносителя, турбину с генератором, конденсатор пара, насос и систему обработки отходов и отличается тем, что в него введены нагнетательная и наблюдательная скважины, насос выполнен дозировочным, выход эксплуатационной скважины связан с турбосепаратором, который соединен с генератором, один из выходов турбосепаратора соединен с входом теплообменника, в качестве вторичного теплоносителя которого выбрана потребляемая вода, теплообменник содержит выход потребляемой воды и выход термальной воды, который через первый дозировочный насос соединен с входом нагнетательной скважины, второй выход турбосепаратора связан с сетчатым сепаратором, выход которого связан с турбогенератором, последовательно с турбогенератором расположен конденсатор пара, выход которого соединен с входом первого дозировочного насоса, система обработки отходов содержит контейнер жидких радиоактивных отходов, соединенный через второй дозировочный насос с входом нагнетательной скважины, в наблюдательной скважине расположены приборы контроля за нагнетательной скважиной и приборы управления дозировочными насосами, при этом расстояние между эксплуатационной скважиной и нагнетательной скважиной удовлетворяет условию

R э н R в л z ,

где Rэн - расстояние между нагнетательной и эксплуатационной скважинами; Rвл - радиус зоны влияния эксплуатационной скважины, а наблюдательная скважина расположена в зоне влияния нагнетательной скважины.

В известном источнике преобразователем энергии служит геотермальная скважина, и нагнетательная скважина служит для закачки в нее радиоактивных отходов и их реагирования с гидротермальной средой, в результате чего постадийно происходит осаждение тяжелых металлов в виде сульфидов, аморфного кремнезема, а также окислов и карбонатов, благодаря чему происходит сорбция радиоактивных материалов и образование нерастворимых соединений.

Недостатком известного комплекса является его невысокая эффективность, обусловленная тем, что главным источником энергии служит геотермальная энергия, усложняющая преобразование ее в электрическую, а радиоактивные отходы просто нейтрализуются, а не используются как самостоятельный источник электроэнергии. Кроме того, такой комплекс занимает весьма значительное наземное и подземное пространство.

Задачей является повышение эффективности энергетического комплекса при уменьшении занимаемой площади.

Поставленная задача решается тем, что в подземном ядерно-энергетическом комплексе, содержащем несколько скважин, в стволе одной из которых размещены жидкие радиоактивные материалы или отходы (ЖРО), подвергаемые взаимодействию с реагентной средой, преобразователь энергии и устройство вывода энергии, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ стволы скважин выполнены наклонными, имеющими У-образную форму и сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, при этом стволы скважин обсажены стальными трубами, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами, в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, использованы размещаемые в стволах скважин, матрицы, представляющие собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, устройством вывода энергии служит трансформатор, соединенный выходом с накопителем энергии.

Выполнение стволов скважин наклонными У-образной формы, сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, в совокупности с обсадкой стволов скважин стальными трубами, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами и использованием в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, размещаемых в стволах скважин, матриц, представляющих собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, дает возможность получить большое количество электрической энергии при достаточно простой, не занимающей много места, конструкции и эффективно использовать ядерные отходы.

Технический результат - получение большого количества энергии при весьма простой и безопасной конструкции.

Заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как выполнение скважин наклонными У-образной формы, сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, обсадка стволов скважин стальными трубами, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами, использование в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, размещаемых в стволах скважин, матриц, представляющих собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного технического результат, поэтому он считает, что заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс может найти широкое применение в энергетике, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Изобретение иллюстрируется чертежами, где показаны на:

фиг.1 - общий вид комплекса сбоку под землей;

фиг.2 - внешний вид комплекса сбоку;

фиг.3 - схема размещения матриц и ЖРО в стволах комплекса.

Подземный ядерно-энергетический комплекс (фиг.1-3) содержит наклонные скважины 11-1n (где n - целое число) и придающие им У-образную форму наклонные скважины 2l-2i. При этом скважины 1 сходятся нижней частью в забое 3 центральной скважины, где расположен центральный ствол 4 и образовано искусственное хранилище 5, соединяющее все стволы между собой. При этом стволы всех скважин обсажены стальными трубами 6, а ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами 7. В одном из стволов 1l размещены жидкие радиоактивные отходы или жидкое радиоактивное топливо 8; при этом во всех стволах размещены матрицы 9. Матрицы 9 представляют собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах 9. Они служат для ЖРО реагентной средой, одновременно являющейся преобразователем энергии. С матриц 9 электрический ток снимается через трансформатор 10 и далее накапливается на накопителе 11 (ионисторе или батареях).

Практически подземный ядерно-энергетический комплекс может быть выполнен следующим образом.

На глубину 3000 метров пробурен роторным способом центральный ствол 4 скважины диаметром 300 мм.

К забою центральной скважины 4 под углом 30-45° пробурены две или более наклонные скважины 11 -In в зависимости от мощности батареи.

От устья центральной скважины 4 на «оптимальном» для технологического оборудования расстоянии, пробурены две или более скважин 2, соединяющие центр наклонных стволов к забою.

В забое центральной скважины образуется искусственное хранилище 5 по запатентованному способу (патенты №2430312, №97814).

В хранилище сходятся все наклонные стволы скважин 1. Стволы 1 и 2 обсажены стальными трубами 6, ближе к устью - дополнительными противорадиационными экранами 7.

Внутрь стволов скважин 1, 2, 4 вставляют и опускают от отметки 3 км до отметки 1 км от поверхности земли матрицы 9 - устройства для превращения энергии радиоактивных излучений, содержащихся в жидких радиоактивных отходах (ЖРО), в электрический ток.

Матрица 9 представляет собой, например, совокупность диэлектрических ячеек, в которых размещены полупроводниковые вещества, образующие последовательно соединенные контактами аноды и катоды (см. патент РФ №2130658) либо закрепленные на одном основании полупроводниковые кристаллы с созданными внутри областями дырочной и электронной проводимости, контактирующие с радиоактивными изотопами (см. патент РФ №90612).

По форме матрица 9 выполнена в виде объемного элемента диаметром 200 мм с внутренними стенками, проходящими через центр. Общая площадь матриц начинается от нижнего предела в 110000 м2 и заканчивается верхним пределом, зависящим от мощности батареи.

Заявляемый комплекс работает следующим образом.

В одну из боковых скважин 1 вливается радиоактивное топливо 8 общим объемом от 500 м3 или более, такое как Ni-63, тритиевая вода (3Н2О), называемая сверхтяжелой, или любое другое радиоактивное вещество, излучающее заряженные частицы, в т.ч. и жидкие радиоактивные отходы (ЖРО).

При попадании радиоактивного излучения на полупроводниковый элемент в нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), которая приводит к возникновению электрического тока (патент РФ №2130657). Таким образом, при взаимодействии радиоактивного вещества 8 и матриц 9 в последних возникает электрический ток.

Предполагаемая мощность на 1 м2 равна 50 Ватт в час или более. Предполагаемая мощность всей батареи от 2 МВт до 10 МВт в час. Матрицы 9 имеют выводы 10 для подключения к трансформатору или к потребителю электроэнергии.

Электрический ток поступает на поверхностные аккумулирующие элементы 11, в качестве которых могут использоваться ионисторы через предварительную систему преобразования, для дальнейшего преобразования и подачи к потребителю (согласно патенту №) на гелио-геотермическую электростанцию.

В сравнении с прототипом заявляемый подземный ядерно-энергетический комплекс является более эффективным по мощности и занимаемой площади.

Подземный ядерно-энергетический комплекс, содержащий несколько скважин, в одной из которых размещены жидкие радиоактивные материалы или отходы (ЖРО), подвергаемые взаимодействию с реагентной средой, преобразователь энергии и устройство вывода энергии, отличающийся тем, что скважины выполнены наклонными, имеющими У-образную форму и сходящимися нижней частью в забое центральной скважины, где расположен центральный ствол и образовано искусственное хранилище, соединяющее все стволы между собой, при этом стволы скважин обсажены стальными трубами и дополнительными противорадиационными экранами, в качестве реагентной среды, служащей одновременно преобразователем энергии, использованы размещаемые в стволах скважин матрицы, представляющие собой устройства для получения электроэнергии от взаимодействия ЖРО с облучаемым электронно-дырочным переходом, образованным полупроводниковыми материалами в матрицах, устройством вывода энергии служит трансформатор, соединенный выходом с накопителем энергии.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию ядерного распада в электрическую энергию, и может быть использовано в производстве компактных источников электрического тока длительного пользования.

Изобретение относится к использованию локальной электрической станции-преобразователя энергии излучения радиоактивного вещества в электрическую. .

Изобретение относится к способу преобразования энергии ионизирующего излучения в ультрафиолетовое излучение. В заявленном способе предусмотрено использование диссоциирующего газа и преобразование ультрафиолетового излучения в электрическую энергию с помощью полупроводникового алмаза. Источник альфа-излучения испускает альфа-частицы, которые в диссоциирующем газе превращаются в ультрафиолетовое излучение. На пути ультрафиолетового излучения располагается синтетический полупроводниковый алмаз р-типа с контактом Шоттки и омическим контактом так, чтобы ультрафиолетовое излучение полностью или частично попадало на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза. При этом электрический ток снимается с контактов при помощи проводников и передается потребителю. Техническим результатом изобретения является исключение сложной, многостадийной схемы изготовления полупроводниковой структуры с возможностью использования только низкоэнергетических бета-источников, повышение электрофизических характеристик (радиационная стойкость, напряжение пробоя, подвижность электронов и дырок, теплопроводность) при преобразовании энергии ионизирующего излучения различных видов (альфа-излучение, бета-излучение, ультрафиолетовое излучение) в широком диапазоне энергий в электрическую энергию. 4 з. п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение может быть использовано в электронике, приборостроении и машиностроении при создании автономных устройств с большим сроком службы. Способ преобразования энергии ионизирующего излучения в электрическую энергию включает изготовление полупроводникового материала, состоящего из областей с р- и n-типами проводимости в области р-n перехода, нанесение на поверхность полупроводникового материала в разных его областях слоев различных металлов, присоединение к ним проводников и воздействие на полупроводниковый базовый элемент-преобразователь на основе синтетического алмаза ионизирующим излучением с одновременным снятием электричества с помощью проводников, при этом в качестве ионизирующего излучения используют высокоэнергетические источники альфа-излучения мощностью не менее 0,567 Вт/г, а в качестве полупроводникового материала изготавливают синтетический алмаз р-типа с содержанием бора 1014-1016 атомов на см3 и на его поверхностях в разных областях с р- и n-типами проводимости в вакууме наносят неразрывные металлические контакты, один из которых трехслойная система металлизации вида титан-платина-золото для съема положительного заряда и другой с потенциальным барьером Шоттки - из платины, золота или иридия для снятия отрицательного заряда, на который воздействуют ионизирующим излучением, в результате чего внутри алмаза создают область пространственных зарядов, последние в электрическом поле разлетаются на отрицательные заряды, собираемые на металле контакта Шоттки, и положительные, собираемые на контакте из титана-платины-золота, и с них снимают электричество. Техническим результатом изобретения является создание способа преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию, обладающего более простой схемой изготовления полупроводниковой структуры, более высокой радиационной стойкостью, а также более высоким сроком службы полупроводникового материала. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений бета-источников в электрическую энергию. Создание оригинальной планарной конструкции высоковольтного преобразователя реализуется по стандартной микроэлектронной технологии. Особенностью такой конструкции является размещение нескольких элементов p-i-n-структур, изолированных друг от друга микроканалами и соединенных последовательно, причем каждая структура собирает излучение р-n-переходов на обеих сторонах кремниевой пластины как от светового источника, так и от бета-источника. Такой преобразователь может быть использован в труднодоступных местах, шахтах, для питания биосенсоров, внедряемых внутрь организма, и т.д., а также для зарядки микроаккумуляторов на основе химических источников тока с твердотельным электролитом. Планарный фото- и бета-вольтаический преобразователь согласно изобретению обеспечивает высокое значение выходного напряжения ЭДС. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений - бетаисточников в электрическую энергию. Изобретение обеспечивает создание двухсторонней конструкции комбинированного накопительного элемента фото- и бетавольтаики, состоящей из совмещенных на одной пластине кремния с одной стороны - фотоэлемента и подключенного параллельно к нему планарного плоского конденсатора, с другой стороны - бетавольтаического элемента, бета-источник никель-63 которого помещается в микроканалы для увеличения КПД и тока генерации. Такой преобразователь может быть использован в труднодоступных местах, шахтах, для питания биосенсоров, внедряемых внутрь организма, и т.д. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий полупроводниковую пластину с развитой поверхностью и слой никеля-63 на этой поверхности. Поверхность пластины полупроводника выполнена в виде множества микропор и «колодцев», имеющих разную форму, при этом слой никеля покрывает стенки микропор и общей поверхности до 95-99%. Поверхность полупроводника содержит микропоры с размерами: ширина - 20÷40 нм, длина - 400÷600 нм; глубина - 100÷250 нм; количество пор до 2500-3000 на 1 см2. Способ изготовления бета-вольтаического генератора включает этап нанесения радиоактивного вещества в микропоры пластин полупроводника с развитой поверхностью, при этом напыляют слой металлического цинка, а затем помещают пластины в водный раствор хлорида никеля-63 на 8-60 часов при температуре 10-50°C и pH 4,5. Изобретение обеспечивает возможность создания бета-вольтаического генератора электроэнергии с повышенной энергоемкостью, сроком службы 50-70 лет, при минимальной трудоемкости, затраченной на изготовление изделия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к созданию компактных источников электроэнергии с использованием радиоактивных изотопов и полупроводниковых преобразователей. Бета-вольтаический полупроводниковый генератор электроэнергии, содержащий пластину с развитой поверхностью, выполненной в виде множества микропор, имеющих разную форму. Никель-63 покрывает стенки микропор и остальную поверхность пластины с максимально высоким уровнем радиоактивности. Пластины полупроводника с текстурированной поверхностью, имеющего глухие микропоры и «колодцы», заполненные слоем металлического цинка, закрепляют на стальную пластину, обладающую магнитными свойствами, помещают в водный раствор хлорида никеля-63 на 8-10 часов при температуре 10-20°C и pH 4,5. Уровень радиоактивности на поверхности пластины при данном способе нанесения может достигать 10 mCu/см2. Изобретение обеспечивает возможность создания бета-вольтаического генератора электроэнергии с повышенной энергоемкостью, сроком службы 50-70 лет, при минимальной трудоемкости, затраченной на изготовление изделия. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к средствам прямого преобразования энергии радиоактивного распада в электрическую и может быть использовано для питания микроэлектронной аппаратуры. Гибкий бета-вольтаический элемент содержит источник бета-излучения выполнен в виде содержащей радиоактивный изотоп фольги, который окружен, по меньшей мере, одним прилегающим к нему полупроводниковым преобразователем. Преобразователь выполнен в виде фольги из вентильного металла (например, Ni, Nb, Zr, V), на поверхности которой, обращенной к источнику излучения, сформирован слой полупроводникового оксида упомянутого вентильного металла, пропускающий электрический ток только в одном направлении, снабженный, по меньшей мере, одним электрическим контактом, нанесенным на этот слой. Способность слоя полупроводникового оксида вентильного металла пропускать ток только в одном направлении обеспечивается либо тем, что электрический контакт, нанесенный на этот слой, выполнен в виде сплошного металлического покрытия, образующего с упомянутым полупроводниковым оксидом барьер Шоттки, либо тем, что в упомянутом слое сформирована выпрямляющая гетероструктура. Техническим результатом является возможность оптимизации весогабаритных характеристик бета-вольтаического элемента. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к источникам питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта. Сущность: бета-вольтаическая батарея содержит корпус, крышку, полупроводниковые преобразователи, изолирующие и радиоизотопные элементы и токопроводящие контакты, конфигурируемые в один или несколько комплектов, соединяемых параллельно и (или) последовательно до достижения требуемой выходной мощности. Комплект собран из преобразователей, направленных разнополярными поверхностями друг к другу, между которыми размещены токопроводящие радиоизотопные элементы. Комплекты разделены изолирующими элементами, снабженными равномерно расположенными пазами. Противолежащие пазы снабжены токопроводящими контактами, выполненными с возможностью их электрического соединения как с токопроводящими контактами крайних преобразователей каждого комплекта, так и с регулятором. В качестве радиоизотопного элемента используется никель-63 с обогащением от 80%, нанесенный на n-слои полупроводниковых преобразователей. Технический результат: повышение удельной мощности батареи. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике безотходной ядерной технологии. Компактный бетавольтаический источник тока длительного пользования с бета-эмиттером, представляющий собой сборку «сэндвичевой» структуры в виде стопки чередующихся между собой единичных или комплектных микроисточников тока, где каждый из микроисточников тока содержит кремнийсодержащую n+ легированную пластинку с р+ эпитаксиальным слоем, и источник бета-частиц в виде содержащего радиоизотоп никеля-63 металлического электропроводного слоя, контактирующего с одной или с двух сторон с полупроводниковым преобразователем, и систему токосъемных электродов для подключения к нагрузке, при этом в качестве полупроводникового преобразователя энергии бета-частиц в электрическую энергию - матрицу монокристаллического р-кремния, а в качестве источника бета-частиц - соразмерную с пластинкой полупроводника токопроводящую металлическую пластинку, в качестве системы токосъемных электродов - комбинацию системы внутренних встроенных с обеих сторон кремниевой пластинки по всей площади поверх слоя нитрида кремния серебряных линейных электродов. Изобретение позволяет повысить генерируемую электрическую мощность, ток и напряжение бетавольтаического источника. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх