ITMI970524A1 - STEAM EXPANSION NUCLEAR MOTOR - Google Patents

Description

La presente invenzione riguarda un motore ad espansione di vapore nel quale si utilizza come sorgente di calore combustibile nucleare. Più specificatamente, detto motore è un motore di tipo Rankine a rendimento elevato e capace di produrre lavoro termodinamico come risultato della rapida espansione di vapore all'interno del sistema cilindro-stantuffo, nel quale il vapore allo scarico viene riciclato per mezzo di una ulteriore espansione in un sistema a turbina di tipo convenzionale. The present invention relates to a steam expansion engine in which nuclear fuel is used as a heat source. More specifically, said engine is a Rankine type engine with high efficiency and capable of producing thermodynamic work as a result of the rapid expansion of steam inside the cylinder-piston system, in which the exhaust steam is recycled by means of a further expansion. in a conventional turbine system.

In questi ultimi anni c'è stato un grande interesse per lo sviluppo di metodi alternativi per convertire calore in lavoro attraverso motori di tipo Rankine ottimizzati. Tuttavia, nei motori Rankine convenzionali ci sono inevitabili irreversibilità associate a tutti i sotto-sistemi che caratterizzano il ciclo termodinamico. In particolare, il sotto-sistema più importante, che regola l'efficienza complessiva del motore Rankine è il sistema di espansione, per esempio la turbina e il sistema di valvole di ammissione del vapore che controllano il flusso del fluido di lavoro all'interno del sistema di espansione. In generale, i sistemi di espansione possono essere classificati in due categorie: sistemi a bassa velocità, come quelli a stantuffo, e i sistemi ad alta velocità, come quelli a turbina. Le turbine convenzionali di solito non sono adatte per le condizioni di esercizio tipiche dei cicli Rankine a causa dei loro rendimenti bassi quando operano nelle condizioni imposte dal ciclo Rankine. Inoltre, se l'espansore è costituito da turbine, a causa delle loro alte velocità, è necessario l'uso di ingranaggi intermedi di accoppiamento tra l'albero della turbina e l'equipaggiamento accoppiato, per esempio un generatore elettrico. In questo modo il rendimento complessivo si riduce ulteriormente. Per espansori operanti a velocità inferiori a 5000 rpm (giri per minuto), un espansore di tipo Wankel, che comunemente viene fatto rientrare nella categoria degli espansori a stantuffo, ha mostrato rendimenti più elevati a velocità di esercizio tali da consentire l'accoppiamento diretto con l'equipaggiamento pilotato (generatori elettrici, pompe, ecc.), permettendo quindi l'eliminazione del sistema di ingranaggi intermedi con il vantaggio di ridurre la produzione di irreversibilità. In questi casi i rendimenti sono di conseguenza più elevati. Tuttavia, ci sono ancora considerevoli problemi associati ad un motore Rankine utilizzante un espansore di tipo Wankel. Basterà qui menzionare la lubrificazione del pistone rotativo, perdite interne, rottura delle guarnizioni poste agli apici del pistone, e le inevitabili perdite dovute ad attrito del fluido che hanno luogo nella valvola di immissione, con conseguente danneggiamento della valvola stessa. In recent years there has been a great deal of interest in the development of alternative methods for converting heat into work through optimized Rankine type motors. However, in conventional Rankine engines there are inevitable irreversibility associated with all the sub-systems that characterize the thermodynamic cycle. In particular, the most important sub-system, which regulates the overall efficiency of the Rankine engine is the expansion system, for example the turbine and the system of steam inlet valves which control the flow of the working fluid inside the expansion system. In general, expansion systems can be classified into two categories: low-speed systems, such as piston systems, and high-speed systems, such as turbine systems. Conventional turbines are usually not suitable for the operating conditions typical of Rankine cycles due to their low efficiency when operating under the conditions imposed by the Rankine cycle. Also, if the expander consists of turbines, due to their high speeds, it is necessary to use intermediate coupling gears between the turbine shaft and the coupled equipment, for example an electric generator. In this way the overall yield is further reduced. For expanders operating at speeds below 5000 rpm (revolutions per minute), a Wankel type expander, which is commonly referred to in the category of piston expanders, has shown higher efficiency at operating speeds such as to allow direct coupling with the piloted equipment (electric generators, pumps, etc.), thus allowing the elimination of the intermediate gear system with the advantage of reducing the production of irreversibility. In these cases the returns are consequently higher. However, there are still considerable problems associated with a Rankine engine using a Wankel type expander. It will suffice here to mention the lubrication of the rotary piston, internal leaks, breakage of the seals placed at the tips of the piston, and the inevitable losses due to friction of the fluid that take place in the intake valve, with consequent damage to the valve itself.

Un oggetto della presente invenzione è quello di utilizzare un espansore speciale collegato, attraverso un sistema di valvole, ad una turbina convenzionale. Questo espansore è caratterizzato dal fatto che contiene una sorgente di produzione di vapore all'interno di una camera di espansione di un sistema cilindro-stantuffo convenzionale. In questo modo è stato trovato, inaspettatamente e sorprendentemente, che le perdite del fluido dovute ad attrito e laminazione generate nel sistema di valvole di controllo, e la perdita di rendimento associata con il processo di addizione del calore, vengono ridotte. An object of the present invention is to use a special expander connected, through a valve system, to a conventional turbine. This expander is characterized in that it contains a source of steam production within an expansion chamber of a conventional cylinder-piston system. In this way it has been found, unexpectedly and surprisingly, that the fluid losses due to friction and lamination generated in the control valve system, and the efficiency loss associated with the heat addition process, are reduced.

Quindi oggetto principale della presente invenzione è quello di fornire un motore utilizzante la conversione calorelavoro con un rendimento più elevato di quello ottenibile dai sistemi tradizionali. Assumendo che il vapore sia il fluido di lavoro, una situazione quasi ideale si presenterebbe se la sorgente di produzione di vapore e l'espansione diventassero un unico componente e il processo di conversione calore-lavoro occorresse direttamente e simultaneamente nella fase di espansione, conseguentemente eliminando la necessità di disporre di una sorgente tradizionale di produzione del vapore, tubi e valvole per in controllo del vapore connessi. Nel motore nucleare ad espansione di vapore (NPSEE- nuclear power steam expansion engine) un sistema cilindro-pistone è collegato in serie e in maniera alternata durante il ciclo ad una turbina convenzionale cosicché è possibile riciclare anche la frazione di vapore espanso che rimarrebbe altrimenti inutilizzata. Il motore NPSEE può essere visualizzato come un impianto di potenza con alto rendimento e in grado di ridurre il tasso di degradazione ambientale per unità di energia prodotta ed è il risultato di dodici processi termodinamici nei quali due unita' di lavoro, il sistema cilindro-stantuffo e un sistema a turbine convenzionale sono collegati in serie e attivati alternativamente durante il ciclo. Il reattore nucleare utilizzato per generare la sorgente di calore è di tipo dinamico. Grazie alle caratteristiche del motore NPSEE, la perdita di neutroni ritardati, tipica dei reattori dinamici, non è così significativa come lo è per reattori dinamici utilizzanti combustibili allo stato fuso. Il motore NPSEE offre il vantaggio di permettere il riciclaggio di combustibile cosiddetto<' >"spent fuel". Come già detto, in generale, la struttura del motore NPSEE costituisce un motore che permette la conversione calore/lavoro con rendimenti molto elevati e che può essere accoppiato con generatori elettrici convenzionali. Il motore NPSEE conserva energia per mezzo di un utilizzo del calore in modo più efficiente e conseguentemènte riduce il tasso di degradazione ambientale. Therefore, the main object of the present invention is to provide an engine using heat-to-work conversion with a higher efficiency than that obtainable by traditional systems. Assuming that steam is the working fluid, an almost ideal situation would arise if the source of steam production and expansion became a single component and the heat-to-work conversion process took place directly and simultaneously in the expansion phase, consequently eliminating the need to have a traditional source of steam production, connected pipes and valves for steam control. In the nuclear power steam expansion engine (NPSEE) a cylinder-piston system is connected in series and alternately during the cycle to a conventional turbine so that it is also possible to recycle the fraction of expanded steam that would otherwise remain unused. . The NPSEE engine can be viewed as a power plant with high efficiency and capable of reducing the rate of environmental degradation per unit of energy produced and is the result of twelve thermodynamic processes in which two work units, the cylinder-piston system and a conventional turbine system are connected in series and activated alternately during the cycle. The nuclear reactor used to generate the heat source is of the dynamic type. Thanks to the characteristics of the NPSEE engine, the loss of delayed neutrons, typical of dynamic reactors, is not as significant as it is for dynamic reactors using melt fuels. The NPSEE engine offers the advantage of allowing so-called "spent fuel" recycling. As already said, in general, the structure of the NPSEE motor constitutes a motor which allows heat / work conversion with very high efficiency and which can be coupled with conventional electric generators. The NPSEE motor conserves energy by using heat more efficiently and consequently reduces the rate of environmental degradation.

La presente invenzione riguarda un apparato per la produzione di energia elettrica e un'uscita di potenza all'asse del motore con alto rendimento e quindi consente di superare i bassi rendimenti ottenibili con gli impianti di potenza convenzionali. L'apparato secondo l'invenzione funziona nel modo seguente: (si fa riferimento all'acqua come liquido per il funzionamento, anche se si può utilizzare un qualsiasi liquido avente caratteristiche termodinamiche simili ed anche avente le proprietà di moderazione dei neutroni). Acqua allo stato liquido-compresso viene forzata all'interno di cavità di calore progettate appositamente e collegate per via idraulica ad un sistema cilindro-stantuffo. Considerando per il momento una cavità di calore soltanto, l'acqua compressa entra nella cavità attraverso uno o più iniettori ad alta pressione che si aprono in sincronismo con la posizione dello stantuffo e in funzione della relativa fase. Durante l'iniezione di acqua lo stantuffo si trova pochi gradi sotto la posizione di punto morto superiore (PMS), mentre la valvola di scarico è mantenuta chiusa. Mentre l'acqua viene iniettata, il calore si trasferisce dalle superfici della cavità di calore al fluido, cambiando il suo stato termodinamico. Quando il pistone si trova nella posizione di PMS la pressione all'interno della cavità di calore cresce rapidamente. Come conseguenza dell'aumento di pressione lo stantuffo è forzato verso la posizione di punto morto inferiore (PMI), e si ha la fase di espansione. Quando lo stantuffo raggiunge la posizione di PMI, la valvola di scarico si apre e invia vapore a una turbina convenzionale attraverso un set di valvole di non ritorno. Durante la fase di scarico lo stantuffo si muove verso la posizione di PMS, così forzando vapore attraverso la/le cavità di calore nelle quali si ha di nuovo trasferimento di calore al vapore..In questo modo vapore surriscaldato è disponibile per un'ulteriore espansione nel sistema a turbine, producendo così ulteriore lavoro. Nel condensatore si ha trasferimento di calore a pressione costante dal fluido, nello stesso modo dei cicli convenzionali di Rankine. The present invention relates to an apparatus for the production of electrical energy and a power output to the axis of the motor with high efficiency and therefore allows to overcome the low efficiencies obtainable with conventional power plants. The apparatus according to the invention works as follows: (reference is made to water as a liquid for operation, although any liquid having similar thermodynamic characteristics and also having neutron moderating properties can be used). Liquid-compressed water is forced into specially designed heat cavities that are hydraulically connected to a cylinder-piston system. Considering for the moment only one heat cavity, the compressed water enters the cavity through one or more high-pressure injectors which open in synchronism with the position of the plunger and according to the relative phase. When injecting water, the plunger is a few degrees below the top dead center (TDC) position, while the drain valve is kept closed. As water is injected, heat transfers from the surfaces of the heat cavity to the fluid, changing its thermodynamic state. When the piston is in the TDC position the pressure inside the heat cavity increases rapidly. As a consequence of the pressure increase, the plunger is forced towards the lower dead center (PMI) position, and the expansion phase occurs. When the plunger reaches the PMI position, the exhaust valve opens and sends steam to a conventional turbine through a set of non-return valves. During the discharge phase the plunger moves towards the TDC position, thus forcing steam through the heat cavity (s) where heat is transferred back to the steam .. In this way superheated steam is available for further expansion in the turbine system, thus producing further work. In the condenser there is constant pressure transfer of heat from the fluid, in the same way as in conventional Rankine cycles.

La fase di espansione inizia nuovamente quando la valvola di scarico si chiude e lo stantuffo è riposizionato poco sotto il PMS riattivando, attraverso collegamenti elettromeccanici, gli iniettori ad alta pressione. In generale, il ciclo si completa in due tempi, una fase di espansione ed una di scarico rispettivamente, corrispondenti a una rotazione di 360° esatti dell'albero motore. The expansion phase starts again when the exhaust valve closes and the plunger is repositioned just below the TDC, reactivating, through electromechanical connections, the high pressure injectors. In general, the cycle is completed in two stages, an expansion phase and an exhaust phase respectively, corresponding to a rotation of exactly 360 ° of the crankshaft.

Nel motore dell'invenzione i processi di addizione del calore nel boiler, e l'espansione del fluido nel dispositivo di espansione tipici dei cicli Rankine, avvengono simultaneamente. In questo modo il tasso di produzione di entropia associata ai due processi viene significativamente ridotto. Inoltre il prodotto degli scarichi di tale motore è vapore surriscaldato che viene riutilizzato lasciandolo espandere in una serie di espansori convenzionali. In the engine of the invention the processes of addition of heat in the boiler, and the expansion of the fluid in the expansion device typical of Rankine cycles, occur simultaneously. In this way the entropy production rate associated with the two processes is significantly reduced. Furthermore, the product of the exhaust of this engine is superheated steam which is reused by letting it expand in a series of conventional expanders.

La temperatura sulle superfici delle cavità di calore cambia in funzione dei cambiamenti della frequenza cui avvengono le fissioni, la quale è principalmente influenzata dal movimento dello stantuffo. Lo stantuffo può essere considerato come una sorgente di neutroni (la maggior parte ritardati) che sono emessi anche quando il pistone si trova in posizione di PMI. Per questa ragione, se si utilizza questa caratteristica per un reattore moderato con grafite, che si può collocare sotto la parte del reattore moderato ad acqua, allora è possibile riciclare combustibile usato (spentfuel), che contiene ancora una notevole frazione di uranio naturale . The temperature on the surfaces of the heat cavities changes according to the changes in the frequency at which the fissions occur, which is mainly influenced by the movement of the plunger. The plunger can be considered as a source of neutrons (most of them retarded) which are emitted even when the plunger is in the PMI position. For this reason, if this feature is used for a graphite-moderate reactor, which can be placed under the water-moderate reactor part, then it is possible to recycle spent fuel, which still contains a significant fraction of natural uranium.

La Fig. 1 è tuia vista in sezione di una realizzazione del motore nucleare ad espansione di vapore in accordo con la presente invenzione. Fig. 1 is a sectional view of an embodiment of the vapor expansion nuclear engine in accordance with the present invention.

La Fig. 2 è una vista in sezione di una rappresentazione semplificata degli iniettori ad alta pressione con riferimento alle linee I-I e V-V della Fig. 1. Fig. 2 is a sectional view of a simplified representation of the high pressure injectors with reference to lines I-I and V-V of Fig. 1.

La Fig. 3 è una vista in sezione di una rappresentazione semplificata delle cavità di calore contenenti il combustibile nucleare, con riferimento alle linee III-III e IV-IV della Fig. 1. Fig. 3 is a sectional view of a simplified representation of the heat cavities containing the nuclear fuel, with reference to lines III-III and IV-IV of Fig. 1.

La Fig. 4 è una vista in sezione delle cavità di calore posizionate nel pistone con le loro relative entrate esposte agli iniettori del fluido. Fig. 4 is a sectional view of the heat cavities located in the piston with their relative inlets exposed to the fluid injectors.

La Fig. 5 è una semplificazione della vista in sezione del nucleo del reattore del NPSEE nel quale barre di controllo sono utilizzate nella stessa maniera in cui si utilizano nei reattori pressurizzati convenzionali (PWRs). Fig. 5 is a simplification of the sectional view of the NPSEE reactor core in which control rods are used in the same manner as used in conventional pressurized reactors (PWRs).

La Fig. 6 è la vista in sezione dello stantuffo mostrante gli ingressi del fluido per il raffredamento del combustibile nucleare collocato all'interno dello stantuffo stesso. Fig. 6 is the sectional view of the plunger showing the fluid inlets for cooling the nuclear fuel located inside the plunger itself.

La Fig. 7 è il modello di uno stantuffo arricchito con materiale fissile, che come conseguenza della sua inserzione all'interno di un cilindro arricchito di materiale fissile supera la condizione di criticità per produrre calore, vapore e lavoro. Fig. 7 is the model of a plunger enriched with fissile material, which as a consequence of its insertion inside a cylinder enriched with fissile material overcomes the critical condition to produce heat, steam and work.

La Fig. 8 è il modello del NPSEE configurato per il riciclaggio di combustibile usato (spent-fuel) che deve essere posizionato nel reattore moderato a grafite sottostante alla parte di reattore moderato ad acqua. Fig. 8 is the model of the NPSEE configured for the recycling of spent-fuel which must be placed in the graphite-moderated reactor below the water-moderated part of the reactor.

La Fig. 9 è un diagramma dei processi termodinamici che vengono utilizzati nel NPSEE per dare origine ad un motore con un rendimento termodinamico molto elevato. Fig. 9 is a diagram of the thermodynamic processes that are used in the NPSEE to give rise to an engine with a very high thermodynamic efficiency.

La Fig. 10 è un diagramma temperatura entropia (T-S) del ciclo termodinamico del NPSEE nel quale due velocità dell'albero motore sono utilizzate come riferimento. Fig. 10 is a temperature entropy (T-S) diagram of the thermodynamic cycle of the NPSEE in which two crankshaft speeds are used as a reference.

Una prima realizzazione del motore nucleare ad espansione di vapore è descritta con riferimento alla Fig. 1. Come mostrato in questa Figura, il motore nucleare di questa invenzione ha una pluralità di unità: 1, 3, 14, 7, 18, 20 e 22, che sono connesse in serie attraverso tubazioni così da formare un anello chiuso di un ciclo termodinamico di potenza. A first embodiment of the vapor expansion nuclear engine is described with reference to Fig. 1. As shown in this Figure, the nuclear engine of this invention has a plurality of units: 1, 3, 14, 7, 18, 20 and 22 , which are connected in series through pipes so as to form a closed loop of a thermodynamic power cycle.

Il sistema di espansione dell'apparato di questa invenzione è dotato di un compressore ad alta pressione nel quale acqua demineralizzata e deionizzata è compressa all'interno di una tubazione di carico fino a raggiungere una pressione tale per cui si aprono una serie di valvole caricate a molla (iniettori), spruzzando gocce d'acqua all'interno di cavità ad alta temperatura, nelle quali l'acqua si espande e diventa vapore. La rapida espansione del vapore causa una crescita della pressione all'interno del sistema cilindro-stantuffo. The expansion system of the apparatus of this invention is equipped with a high-pressure compressor in which demineralized and deionized water is compressed inside a loading pipe until it reaches a pressure such that a series of valves loaded at spring (injectors), by spraying drops of water inside cavities at high temperatures, in which the water expands and becomes steam. The rapid expansion of the vapor causes a rise in pressure within the cylinder-plunger system.

Con riferimento alla Fig. 1, l'unità 1 rappresenta un compressore ad alta pressione che è caratterizzato da un ingresso 29 e un'uscita 2. All'ingresso 29, il fluido è allo stato liquido uscendo dal post-reattore 14. All'uscita 2, il fluido è allo stato liquido-compresso con una temperatura non molto diversa dalla temperatura di ingresso. Il fluido all'ingresso 29 del compressore 1 è caratterizzato da una pressione di circa 80 bar e una temperatura di approssimativamente 230°C (la temperatura di saturazione a questa pressione è circa 295°C) . In generale la pressione del reattore 14 è mantenuta al valore costante di 80 bar per mezzo dell'utilizzo del pressurizzatore 38 che opera in modo simile a quello adottato nel pressurizzatore di un Pressurized Water Reactor (PWR). Il compressore 1 ha lo scopo di cambiare la pressione dell'acqua all'uscita 29 del reattore 14 dalla pressione del reattore, circa 80 bar, alla pressione di circa 90 bar (1323 psi), che è la pressione minima necessaria per aprire gli iniettori 3, 24a e 24b, il compressore 1 è meccanicamente collegato, attraverso il sistema di ingranaggi 10, all'albero motore 26 così che la rotazione della girante del compressore 27 è sincronizzata con la posizione dell'albero motore 26. In questo modo il fluido è compresso in maniera pulsata come avviene nelle pompe per l'iniezione di combustibile per motori Diesel. With reference to Fig. 1, unit 1 represents a high pressure compressor which is characterized by an inlet 29 and an outlet 2. At inlet 29, the fluid is in the liquid state exiting the post-reactor 14. At the outlet 2, the fluid is in a liquid-compressed state with a temperature not very different from the inlet temperature. The fluid at the inlet 29 of compressor 1 is characterized by a pressure of approximately 80 bar and a temperature of approximately 230 ° C (the saturation temperature at this pressure is approximately 295 ° C). In general, the pressure of the reactor 14 is maintained at a constant value of 80 bar by means of the use of the pressurizer 38 which operates in a similar way to that adopted in the pressurizer of a Pressurized Water Reactor (PWR). Compressor 1 has the purpose of changing the water pressure at outlet 29 of reactor 14 from the reactor pressure, about 80 bar, to the pressure of about 90 bar (1323 psi), which is the minimum pressure needed to open the injectors 3, 24a and 24b, the compressor 1 is mechanically connected, through the gear system 10, to the motor shaft 26 so that the rotation of the impeller of the compressor 27 is synchronized with the position of the motor shaft 26. In this way the fluid it is compressed in a pulsed manner as occurs in fuel injection pumps for diesel engines.

All'uscita del compressore 1, il fluido è ciclicamente pressurizzato all'interno del tubo di scarico 2, che è connesso con i tubi di scarico 25a e 25b, e connessi a loro volta con gli iniettori ad alta pressione 3, 24a e 24b. La pressione a cui avviene l'apertura degli iniettori è la medesima per 3, 24a e 24b ma, se necessario, cambiando la costante della molla all'interno degli iniettori è possibile ritardare l'apertura di uno o più iniettori rispetto agli altri così da controllare l'espansione del cilindro in locazioni differenti nella camera di espansione 36. At the outlet of the compressor 1, the fluid is cyclically pressurized inside the discharge pipe 2, which is connected with the discharge pipes 25a and 25b, and connected in turn with the high pressure injectors 3, 24a and 24b. The pressure at which the injectors are opened is the same for 3, 24a and 24b but, if necessary, by changing the spring constant inside the injectors it is possible to delay the opening of one or more injectors with respect to the others so as to check the expansion of the cylinder at different locations in the expansion chamber 36.

Come mostrato in Fig. 2, 3 e 4, gli iniettori 3, 24a e 24b sono infatti costituiti da valvole caricate a molla (queste rappresentazioni non sono in scala). Come mostrato in Fig. 2, all'interno del corpo 3 degli iniettori ad alta pressione si trova una molla calibrata 4 meccanicamente collegata ad un effusore 5. L'effusore 5 si trova anche all'interno degli iniettori 24a e 24b. Quando la pressione all'interno del corpo degli iniettori 3, 24a e 24b supera un predeterminato valore, che è funzione della posizione dell'albero motore 28, l'effusore 5 si apre. Appena la valvola 5 si apre, la pressione nei tubi di scarico 2, 25a e 25b decresce velocemente provocando nuovamente la chiusura dell’effusore 5. In ogni caso siccome la fase di compressione è ancora in atto in quanto la sua durata viene determinata dalla camma 28, la pressione nei tubi di scarico aumenta causando nuovamente l'apertura della valvola 5. Questo processo ha quindi un andamento oscillante che dipende dalle dimensioni dell'iniettore, dalla costante di calibrazione della molla e dalla pressione a cui avviene l'apertura della valvola 5. L'andamento oscillante persiste durante l'intera fase di iniezione, che è determinata dal compressore 1, e più precisamente, dalla posizione della girante 27 che è collegata al sistema di ingranaggi 10 e la camma 28. La durata dell'iniezione dipende quindi dall'angolo di rotazione dell'albero motore e conseguentemente è una funzione dei giri per minuto dell'albero motore. As shown in Fig. 2, 3 and 4, the injectors 3, 24a and 24b are in fact constituted by spring-loaded valves (these representations are not to scale). As shown in Fig. 2, inside the body 3 of the high pressure injectors there is a calibrated spring 4 mechanically connected to a nozzle 5. The nozzle 5 is also located inside the injectors 24a and 24b. When the pressure inside the body of the injectors 3, 24a and 24b exceeds a predetermined value, which is a function of the position of the driving shaft 28, the nozzle 5 opens. As soon as the valve 5 opens, the pressure in the discharge pipes 2, 25a and 25b quickly decreases causing the nozzle 5 to close again. In any case, since the compression phase is still in progress as its duration is determined by the cam 28, the pressure in the exhaust pipes increases causing valve 5 to open again. This process therefore has an oscillating trend that depends on the size of the injector, the calibration constant of the spring and the pressure at which the valve opens. 5. The oscillating trend persists during the entire injection phase, which is determined by the compressor 1, and more precisely, by the position of the impeller 27 which is connected to the gear system 10 and the cam 28. The duration of the injection depends therefore from the angle of rotation of the crankshaft and consequently it is a function of the revolutions per minute of the crankshaft.

Con riferimento alle Fig. 1, 2, 3 e 4, una certa quantità di acqua, dipendente dalla calibrazione della costante della molla 4 e dall'angolo al quale la camma 28 è regolata per l'inizio della fase di iniezione, è spruzzata nell'interstizio 6, all'interno delle cavità di calore 23, e all'interno delle cavità 34 del sistema contenente il combustibile nucleare 13. With reference to Figs. 1, 2, 3 and 4, a certain amount of water, depending on the calibration of the spring constant 4 and on the angle at which the cam 28 is set for the start of the injection phase, is sprayed into the interstice 6, inside the heat cavities 23, and inside the cavities 34 of the system containing the nuclear fuel 13.

Conseguentemente all'iniezione il fluido varia il suo stato termodinamico molto rapidamente, cambiando da uno stato di liquido-compresso ad uno intermedio caratterizzato da due fasi liquido-vapore e infine a vapore surriscaldato. Di conseguenza si ha una considerevole crescita della pressione all'interno dello stantuffo 12 e del sistema costituente il cilindro 35. As a consequence of the injection, the fluid changes its thermodynamic state very rapidly, changing from a liquid-compressed state to an intermediate one characterized by two liquid-vapor phases and finally superheated vapor. Consequently, there is a considerable increase in pressure inside the piston 12 and in the system constituting the cylinder 35.

Una spiegazione di come la temperatura nelle cavità di calore cambi a seconda della velocità e della posizione dello stantuffo 12, contenente una determinata quantità di materiale fissile nel combustibile nucleare 13, è la seguente. Siccome lo stantuffo 12 contiene materiale fissile, specificamente contenuto nel combustibile 13, esso induce la reazione di fissione a un certo valore di criticità ogni volta che entra all'interno del reattore 14. La criticità, che si indica con il simbolo "k", è il termine convenzionale utilizzato per definire il rapporto tra il numero di neutroni generati ad un certo momento rispetto al numero di neutroni generati ad un momento precedente a quello di riferimento. In altre parole, k è una misura che definisce il tasso delle reazioni di fissione. An explanation of how the temperature in the heat cavities changes according to the speed and position of the plunger 12, containing a certain amount of fissile material in the nuclear fuel 13, is as follows. Since the plunger 12 contains fissile material, specifically contained in the fuel 13, it induces the fission reaction at a certain criticality value every time it enters the reactor 14. The criticality, which is indicated by the symbol "k", is the conventional term used to define the ratio between the number of neutrons generated at a certain time with respect to the number of neutrons generated at a time prior to the reference one. In other words, k is a measure that defines the rate of fission reactions.

Come mostrato nella Fig. 5 il reattore è in una configurazione chiamata supercritica quando, nel suo interno, i combustibili nucleari collocati nei propri alveoli 13, 14 e 7 vengono a contatto formando un unico corpo solido. In particolare questa situazione è rappresentata nella Fig. 7. Sommando le masse dei combustibili nucleari contenuti negli alveoli 13, 14 e 7, come mostrato in Fig. 5 e qualitativamente rappresentati in Fig. 7, si supera il valore per il quale il reattore diventa critico. Per controllare e regolare il valore medio dell'andamento oscillante della criticità dovuta al movimento dello stantuffo, al momento dell'accensione e durante il funzionamento vengono inserite nel reattore un certo numero di barre di controllo 31 di tipo convenzionale. As shown in Fig. 5, the reactor is in a configuration called supercritical when, inside it, the nuclear fuels placed in their alveoli 13, 14 and 7 come into contact forming a single solid body. In particular, this situation is represented in Fig. 7. By adding the masses of the nuclear fuels contained in the alveoli 13, 14 and 7, as shown in Fig. 5 and qualitatively represented in Fig. 7, the value for which the reactor becomes critic. To control and adjust the average value of the oscillating trend of the criticality due to the movement of the plunger, a certain number of conventional control rods 31 are inserted in the reactor at the time of ignition and during operation.

Durante le normali operazioni di funzionamento il reattore formato dagli alveoli contenenti combustibile nucleare 13, 14 e 7 si trova ciclicamente in una condizione di leggera super-criticità conseguente ad una condizione di leggera sottocriticità, che dipende dalla posizione dello stantuffo 12 e dalla posizione delle barre di controllo 31. During normal operating operations, the reactor formed by the alveoli containing nuclear fuel 13, 14 and 7 is cyclically in a condition of slight super-criticality resulting from a condition of slight under-criticality, which depends on the position of the piston 12 and the position of the rods control 31.

La condizione di super-criticità (k>l) corrisponde alla posizione dello stantuffo 12 in PMS, mentre la condizione di sotto-criticità raggiunge il suo massimo, in valore assoluto, quando lo stantuffo 12 si trova nella posizione di PMI. Le barre di controllo 31 rappresentate in Fig. 5 sono utilizzate nella stessa maniera in cui vengono utilizzate in reattori convenzionali di tipo PWR. Perciò come è rappresentato nella Fig. 5, quando il reattore viene attivato le barre di controllo 31 si troveranno inserite all'interno dei tubi di guida 16 e saranno estratte gradualmente durante le normali operazioni di accensione e funzionamento oppure in relazione al consumo di combustibile. The super-critical condition (k> l) corresponds to the position of the piston 12 in TDC, while the under-critical condition reaches its maximum, in absolute value, when the piston 12 is in the position of PMI. The control rods 31 shown in Fig. 5 are used in the same way as they are used in conventional PWR reactors. Therefore, as shown in Fig. 5, when the reactor is activated the control rods 31 will be inserted inside the guide tubes 16 and will be gradually withdrawn during normal ignition and operation operations or in relation to fuel consumption.

Dipendentemente dalla posizione dei vari alveoli contenenti il combustìbile nucleare e dalla geometria del reattore, quando lo stantuffo 12 si trova nella posizione di PMI la conseguente inserzione di reattività negativa (sotto-criticità) può essere progettata in modo tale che sia molto più.ampia, in valore assoluto, della reattività positiva (fissione-supercriticìta) che si ottiene quando lo stantuffo 12 si trova all'interno del reattore 14 ed è in corrispondenza alla posizione di PMS. Depending on the position of the various alveoli containing the nuclear fuel and on the geometry of the reactor, when the plunger 12 is in the PMI position the consequent insertion of negative reactivity (sub-criticality) can be designed in such a way that it is much larger. in absolute value, of the positive reactivity (fission-supercritical) which is obtained when the plunger 12 is inside the reactor 14 and is in correspondence with the PMS position.

In generale le superfici delle cavità di calore del combustibile dell'alveolo 7, 14 e 13 sono soggette ad un cambiamento di temperatura pulsato come diretta conseguenza della natura pulsata delle fissioni. Con riferimento alla Fig. 4 e Fig. 6, assumendo che lo stantuffo 12 abbia una posizione iniziale, rispetto al senso di rotazione dell'albero motore, che anticipi di pochi gradi quella corrispondente al PMS, e muovendosi il pistone verso il PMS, gli ingressi di fluido 32 diventano gradualmente allineati con gli iniettori 24b e si avrà l'iniezione del fluido quando gli ingressi 32 in Fig. 1 saranno in comunicazione con le uscite degli iniettori 33. In general, the surfaces of the heat cavities of the alveolus 7, 14 and 13 are subject to a pulsed temperature change as a direct consequence of the pulsed nature of the fissions. With reference to Fig. 4 and Fig. 6, assuming that the piston 12 has an initial position, with respect to the direction of rotation of the crankshaft, which anticipates the one corresponding to TDC by a few degrees, and moving the piston towards TDC, the fluid inlets 32 gradually become aligned with the injectors 24b and fluid will be injected when the inlets 32 in Fig. 1 are in communication with the outlets of the injectors 33.

Allo stesso momento la camma 28, sincronizzata con la posizione dello stantuffo 12 attraverso i collegamenti meccanici il, determina la rotazione della girante 27 del compressore l per la fase di iniezione. Durante questa fase la valvola di scarico 8 è mantenuta nella posizione chiusa tramite il collegamento meccanico 9. At the same time the cam 28, synchronized with the position of the piston 12 through the mechanical connections 11, causes the rotation of the impeller 27 of the compressor 1 for the injection phase. During this phase the discharge valve 8 is kept in the closed position by means of the mechanical connection 9.

Prima che lo stantuffo 12 abbia raggiunto il PMS tutti gli iniettori 3, 24a e 24b avranno completato la fase di iniezione per mezzo dei tubi di scarico 2, 25a e 25b. Quando lo stantuffo 12 si trova al PMS si innesca la fissione e di conseguenza si ha una rapida crescita della temperatura nelle superfici delle cavità di calore. La reazione ha luogo tra l'inizio e la fine della fase di iniezione. Before the piston 12 has reached the TDC, all the injectors 3, 24a and 24b will have completed the injection phase by means of the exhaust pipes 2, 25a and 25b. When the plunger 12 is at TDC, fission is triggered and consequently there is a rapid rise in temperature in the surfaces of the heat cavities. The reaction takes place between the start and the end of the injection phase.

A causa del forte gradiente di temperatura nelle cavità di calore 23 (Fig. 3} e 34 (Fig. 4) e nel gap o interstizio 6, le gocce di fluido iniettate assorbono calore dalle superfici delle cavità qui sopra menzionate. Il risultato è una rapida espansione del fluido con conseguente crescita della pressione nel sistema cilindro-stantuffo. La pressione inizia a aumentare dal momento in cui la fase di iniezione inizia e raggiunge un valore massimo dopo che l'albero motore è ruotato di pochi gradi, dopo la fine della fase di iniezione. Per l'aumento di pressione lo stantuffo 12 viene spinto fuori dal reattore 14 verso la posizione di PMI, mettendo l'intero sistema nella condizione di sotto-criticità (k>l). In questo caso i neutroni definiti "prompt" si estinguono rapidamente lasciando il reattore sotto l'effetto dei neutroni ritardati generati dalle reazioni di fissione dei loro precursori. Due to the strong temperature gradient in the heat cavities 23 (Fig. 3} and 34 (Fig. 4) and in the gap 6, the injected fluid droplets absorb heat from the surfaces of the aforementioned cavities. The result is a rapid expansion of the fluid with consequent increase of the pressure in the cylinder-piston system. The pressure starts to increase from the moment in which the injection phase begins and reaches a maximum value after the crankshaft is rotated a few degrees, after the end of the injection phase. For the pressure increase the piston 12 is pushed out of the reactor 14 towards the position of PMI, putting the whole system in the condition of under-criticality (k> l). In this case the neutrons defined as "prompt "they are quickly extinguished leaving the reactor under the effect of delayed neutrons generated by the fission reactions of their precursors.

Quando lo stantuffo 12 è spinto fuori dal reattore 14 produce lavoro che può essere utilizzato all'albero motore 26. When the plunger 12 is pushed out of the reactor 14 it produces work which can be used on the motor shaft 26.

Come mostrato in Fig. 4, una volta che lo stantuffo 12 raggiunge la posizione di PMI la valvola di scarico 8, attraverso 11 collegamento meccanico 9 (sincronizzata con l'albero motore 26 con un rapporto 2:1) viene aperta cosicché il vapore che si trova ad una pressione relativamente elevata può fluire nel sistema di valvole di non ritorno 17 (Fig. 1). As shown in Fig. 4, once the plunger 12 reaches the position of PMI the exhaust valve 8, through the mechanical connection 9 (synchronized with the crankshaft 26 with a 2: 1 ratio) is opened so that the steam which is at a relatively high pressure it can flow into the non-return valve system 17 (Fig. 1).

A causa della quantità di moto guadagnata nella fase precedente lo stantuffo 12 si muove verso il PMS forzando ancora una volta il vapore attraverso le cavità di calore 23 (Fig. 3). In questo modo il vapore è ulteriormente surriscaldato aumentando il proprio contenuto energetico. Il vapore è forzato attraverso le valvole di non ritorno 17, dopo le quali espande all'interno di un set di turbine convenzionali 18 producendo ulteriore lavoro all'albero delle turbine 19 (Fig. 1). Ogni volta che lo stantuffo 12 entra all'interno del reattore 14 la reattività subisce un incremento causando la condizione di super-criticità nel reattore e creando nuovamente le condizioni per un nuovo ciclo. Due to the momentum gained in the previous step, the plunger 12 moves towards the TDC, forcing the steam once again through the heat cavities 23 (Fig. 3). In this way the steam is further heated, increasing its energy content. The steam is forced through the non-return valves 17, after which it expands within a set of conventional turbines 18 producing further work on the shaft of the turbines 19 (Fig. 1). Each time the plunger 12 enters the reactor 14 the reactivity undergoes an increase causing the super-critical condition in the reactor and creating the conditions for a new cycle again.

Il ciclo del motore NPSEE riparte non appena lo stantuffo 12 si trova pochi gradi prima del PMS. A questo punto la valvola di scarico 8 si chiude e la fase dell'iniezione di fluido inizia nuovamente. Per quanto riguarda il comportamento dei neutroni, quando lo stantuffo 12 si avvicina al PMS esso inserisce un nuovo impulso di neutroni prompt che si sovrappongono alla condizione di reattività dominata dai neutroni ritardati generati nei cicli precedenti. In generale, se non fossero presenti reazioni di feedback nucleare come il coefficiente del moderatore, l'effetto Doppler e altri, la reattività continuerebbe a crescere in maniera di tipo sinusoidale sovrapposta a una funzione di reattività esponenziale crescente. Comunque, a causa della combinazione di feedback naturali e di feedback appositamente inseriti nell'apparato, l'effetto di crescita della potenza in maniera esponenziale può essere stabilizzato ad un valore di potenza media controllata. Di conseguenza la reattività oscilla con una funzione di tipo sinusoidale (direttamente proporzionale alla funzione non-armonica del movimento dello stantuffo) sovrapposta ad un valore di reattività media. Nel motore NPSEE il grado di reattività è determinato dalla posizione delle barre di controllo 31 e dalla velocità alla quale lo stantuffo inserisce ciclicamente il materiale fissile 13 all'interno del reattore 14 e 7. Infatti, la forma d'onda della funzione reattività, dipendente dal tempo, è determinata dal movimento non-armonico dello stantuffo 12 e dalla velocità con cui esso si avvicina alle parti interne del reattore 14. The NPSEE motor cycle restarts as soon as the plunger 12 is a few degrees before TDC. At this point the discharge valve 8 closes and the fluid injection phase begins again. As for the behavior of the neutrons, when the plunger 12 approaches the PMS it inserts a new impulse of prompt neutrons that overlap the reactivity condition dominated by the delayed neutrons generated in the previous cycles. In general, if there were no nuclear feedback reactions such as the moderator coefficient, the Doppler effect and others, the reactivity would continue to grow in a sinusoidal manner superimposed on an increasing exponential reactivity function. However, due to the combination of natural feedback and feedback specially inserted into the apparatus, the effect of exponentially increasing power can be stabilized at a controlled average power value. Consequently, the reactivity oscillates with a sinusoidal function (directly proportional to the non-harmonic function of the piston movement) superimposed on an average reactivity value. In the NPSEE engine, the degree of reactivity is determined by the position of the control rods 31 and by the speed at which the plunger cyclically inserts the fissile material 13 inside the reactor 14 and 7. In fact, the waveform of the reactivity function depends time, is determined by the non-harmonic movement of the plunger 12 and the speed with which it approaches the internal parts of the reactor 14.

Come mostrato nella Fig. 1 e Fig. 5 un'altra unità di compressione 22 è inclusa nel motore secondo l'invenzione. In questo caso il compressore 22 rappresenta una pompa per il raffreddamento dei combustibili nucleari collocati negli alveoli del reattore 14, e 39 della Fig. 8. Il fluido di raffreddamento in questa sezione del reattore è lo stesso fluido utilizzato per il processo di espansione. Per migliorare la sicurezza è comunque possibile separare le due parti del reattore costituito dalle sezioni 7, 13 e 14 in due circuiti idraulici indipendenti. La metodologia e il progetto delle misure di sicurezza del motore ad espansione di vapore possono essere le stesse metodologie che vengono applicate nei reattori nucleari convenzionali. Con riferimento alla Fig. 1, si può assumere che il reattore 14 è costruito con gli stessi criteri e concetti utilizzati nel progettare reattori convenzionali di tipo PWR/BWR. As shown in Fig. 1 and Fig. 5 another compression unit 22 is included in the engine according to the invention. In this case the compressor 22 represents a pump for cooling the nuclear fuels located in the alveoli of the reactor 14, and 39 of Fig. 8. The cooling fluid in this section of the reactor is the same fluid used for the expansion process. To improve safety it is however possible to separate the two parts of the reactor consisting of sections 7, 13 and 14 into two independent hydraulic circuits. The methodology and design of the safety measures of the steam expansion engine can be the same methodologies that are applied in conventional nuclear reactors. With reference to Fig. 1, it can be assumed that the reactor 14 is constructed with the same criteria and concepts used in designing conventional PWR / BWR reactors.

In generale, e di nuovo con riferimento alla Fig. 1, è possibile distinguere nell'apparato due strutture discrete, la struttura primaria 35 e quella secondaria 37, che circonda la struttura primaria. Inoltre la struttura primaria circonda anche la testa della camera di espansione 36 del fluido, che è a sua volta parte del cilindro 35, e circonda il combustibile collocato negli alveoli 7 così da formare un interstizio (gap) nel quale il fluido è costretto ad avere un contatto intimo con le superiici calde del combustibile. Entrambe le strutture, primaria e secondaria, sono costituite da assemblaggi di combustibile (alveoli), strumentazione, scudi termici e così via come è ben noto per i reattori di tipo convenzionale. Nel motore NPSEE la reattività può essere controllata per mezzo del movimento delle barre di controllo 31 (Fig. 5), cambiando la concentrazione di assorbenti di neutroni diluiti nel fluido di lavoro, che svolge anche la funzione di moderatore, e cambiando la velocità alla quale lo stantuffo 12 si avvicina e entra all'interno del reattore 14. In general, and again with reference to Fig. 1, it is possible to distinguish two discrete structures in the apparatus, the primary structure 35 and the secondary one 37, which surrounds the primary structure. Furthermore, the primary structure also surrounds the head of the fluid expansion chamber 36, which is in turn part of the cylinder 35, and surrounds the fuel placed in the alveoli 7 so as to form a gap in which the fluid is forced to have intimate contact with the hot surfaces of the fuel. Both primary and secondary structures consist of fuel assemblies (alveoli), instrumentation, heat shields and so on as is well known for conventional reactors. In the NPSEE motor the reactivity can be controlled by means of the movement of the control rods 31 (Fig. 5), by changing the concentration of diluted neutron absorbers in the working fluid, which also acts as a moderator, and by changing the speed at which the plunger 12 approaches and enters the reactor 14.

Una caratteristica di sicurezza intrinseca offerta da questa invenzione è quella relativa alla dipendenza dal tempo della geometria di questo motore nucleare. Siccome il reattore è formato da parti in movimento, il reattore è in una condizione di sotto-criticità, come si è detto, ogni volta che lo stantuffo 12 si trova nella posizione di PMI. In questo caso non vi è reazione di fissione e il rattore complessivo si spegne automaticamente. Se si blocca lo stantuffo nella posizione di PMI il reattore rimane comunque spento anche se le barre di controllo 31 sono completamente estratte. In altre parole il progetto garantisce lo spegnimento anche in assenza delle barre di controllo 31 e in assenza di assorbenti di neutroni diluiti nel fluido di lavoro. An intrinsic safety feature offered by this invention is that related to the time dependence of the geometry of this nuclear engine. Since the reactor is made up of moving parts, the reactor is in a sub-critical condition, as stated, whenever the plunger 12 is in the PMI position. In this case there is no fission reaction and the overall ractor switches off automatically. If the plunger is locked in the position of PMI, the reactor remains in any case off even if the control rods 31 are completely extracted. In other words, the design guarantees shutdown even in the absence of the control rods 31 and in the absence of neutron absorbers diluted in the working fluid.

Il reattore può essere immaginato come composto da una regione dominata da neutroni veloci, localizzata nelle aree adiacenti alle cavità di calore, come per esempio le aree circondanti gli interstizi 6, gli alveoli di combustibile 13 e 7, e una regione di neutroni termici, vale a dire gli alveoli di combustibile collocati nel reattore 14. The reactor can be imagined as composed of a region dominated by fast neutrons, located in the areas adjacent to the heat cavities, such as the areas surrounding the interstices 6, the fuel cells 13 and 7, and a region of thermal neutrons, i.e. that is, the fuel cells located in the reactor 14.

Come detto il fluido di lavoro utilizzato nel processo di espansione può anche fungere da moderatore di neutroni, e questo non costituisce una limitazione. As mentioned, the working fluid used in the expansion process can also act as a neutron moderator, and this does not constitute a limitation.

La struttura primaria 35 può in linea di principio utilizzare un fluido diverso dalla struttura secondaria 37. Nel caso in cui il fluido di lavoro fa anche da moderatore dei neutroni il combustibile nucleare contenuto nelle cavità di calore 23 (Fig. 3) e 34 (Fig. 6) è esposto a neutroni veloci, avendo il vapore una bassa densità e conseguentemente diminuendo in tal modo la probabilità di interazione tra i neutroni e l'idrogeno. Inoltre la distanza compiuta dai neutroni in queste regioni del reattore ha lo stesso ordine di grandezza degli interstizi 6 e conseguentemente i neutroni non possono venire rallentati fino ad assumere energie nel campo termico. Invece il resto del reattore, ed in particolare il combustibile nucleare contenuto negli alveoli 14, può essere trattato con le metodologie che si applicano nei reattori termici convenzionali . The primary structure 35 can in principle use a different fluid from the secondary structure 37. If the working fluid also acts as a neutron moderator, the nuclear fuel contained in the heat cavities 23 (Fig. 3) and 34 (Fig. 6) is exposed to fast neutrons, the vapor having a low density and consequently decreasing the probability of interaction between neutrons and hydrogen. Furthermore, the distance covered by the neutrons in these regions of the reactor has the same order of magnitude as the interstices 6 and consequently the neutrons cannot be slowed down until they take on energies in the thermal field. On the other hand, the rest of the reactor, and in particular the nuclear fuel contained in the alveoli 14, can be treated with the methods that are applied in conventional thermal reactors.

Come è mostrato in Fig. 8, e con lo scopo di riciclare il combustibile già utilizzato (spent-fuel) 40, il reattore complessivo del NPSEE può.essere composto da tre parti: lo stantuffo (o stantuffi) 13, la struttura pressurizzata 37 circondante gli stantuffi, e un reattore termico moderato con grafite 39 localizzato sopra l'albero motore. Perciò lo stantuffo, o gli stantuffi, possono essere visti come sorgenti di neutroni (la maggior parte ritardati) che vengono ciclicamente inseriti all'interno del reattore moderato con grafite 39. 11 combustibile utilizzato in questa sezione del reattore è caratterizzato da uranio naturale contenuto in combustibile già usato, collocato negli alveoli del combustibile "spent" 40. In altre parole il combustibile utilizzato nel reattore moderato ad acqua 14 può essere riciclato nel reattore moderato a grafite 39. Questa parte del reattore normalmente non sarebbe in grado di raggiungere la condizione di criticità (k>l) a causa delle sue caratteristiche fisiche, ma grazie all'inserzione di considerevoli sorgenti di neutroni la condizione di criticità e super-criticità può essere conseguita di nuovo (si consideri che nel combustibile usato cosiddetto "spent" una considerevole percentuale di 238U è ancora presente). In questa maniera l'invenzione permette il riutilizzo di combustibile usato trasformando.un reattore a uranio naturale normalmente sotto-critico in un reattore super-critico grazie all'inserzione di neutroni originati negli stantuffi quando si trovano nelle loro relative posizioni di PMS. Perciò i neutroni ritardati emessi quando gli stantuffi si trovano nelle loro posizioni di PMI e emessi dalle periferie degli stantuffi entrano nel reattore moderato a grafite 39 (Fig. 8). Questi neutroni viaggiano per una accresciuta distanza a causa delle carateristiche di rimbalzo della grafite e possono esser assorbiti da isotopi di 238U, o isotopi non fissili, aventi sezioni d'urto relativamente elevate nei livelli di energia dei neutroni ritardati (0,2-0,6 MeV). In particolare per diminuire la probabilità di perdita di neutroni dai confini del reattore, il raggio del reattore moderato a grafite 39 dovrebbe essere 3-4 metri, mentre il numero di stantuffi utilizzati può essere invece variato. As shown in Fig. 8, and with the purpose of recycling the fuel already used (spent-fuel) 40, the overall reactor of the NPSEE can be composed of three parts: the plunger (or plungers) 13, the pressurized structure 37 surrounding the plungers, and a graphite-moderated thermal reactor 39 located above the crankshaft. Therefore the plunger, or plungers, can be seen as sources of neutrons (most retarded) that are cyclically inserted into the graphite-moderated reactor 39. The fuel used in this section of the reactor is characterized by natural uranium contained in fuel already used, placed in the "spent" fuel cells 40. In other words, the fuel used in the water-moderate reactor 14 can be recycled into the graphite-moderate reactor 39. This part of the reactor would normally not be able to reach the condition of criticality (k> l) due to its physical characteristics, but thanks to the insertion of considerable neutron sources the criticality and super-criticality condition can be achieved again (consider that in the so-called "spent" used fuel a considerable percentage of 238U is still present). In this way the invention allows the reuse of used fuel by transforming a normally sub-critical natural uranium reactor into a super-critical reactor thanks to the insertion of neutrons originated in the plungers when they are in their relative TDC positions. Thus, the delayed neutrons emitted when the plungers are in their PMI positions and emitted from the peripheries of the plungers enter the graphite-moderated reactor 39 (Fig. 8). These neutrons travel an increased distance due to the rebound characteristics of graphite and can be absorbed by 238U isotopes, or non-fissile isotopes, having relatively large cross sections in the energy levels of delayed neutrons (0.2-0, 6 MeV). In particular, to decrease the probability of neutron leakage from the reactor boundaries, the radius of the graphite-moderated reactor 39 should be 3-4 meters, while the number of pistons used can be varied.

Per riassumere, in Fig. 8 è mostrato un NPSEE che è la combinazione di due reattori con caratteristiche differenti. Il reattore rappresentato dal combustibile collocato negli alveoli 14 è un reattore pressurizzato ad acqua che diventa critico solo in dipendenza dal movimento dello stantuffo o degli stantuffi 13. Il reattore invece rappresentato dal combustibile collocato negli alveoli 40 è un reattore moderato a grafite 39 che dà la possibilità di usare il combustibile già usato (spent-fuel). In questo caso, se si considera solo uno degli stantuffi 13 si può vedere che lo stantuffo è ciclicamente inserito all'interno del reattore moderato ad acqua 14 (Fig. 8) mentre esce dal reattore moderato a grafite 39. Nella fase successiva lo stantuffo esce dal reattore moderato ad acqua 14 e entra nel reattore moderato a grafite 39. Questa situazione viene ripetuta ogni volta che l'albero motore ruota di 180°C. Perciò le reazioni di fissione che si verificano nel combustibile contenuto negli alveoli 13 producono frammenti di fissione che decadranno emettendo neutroni ritardati. Siccome lo stantuffo o gli stantuffi 13 passano il 50% del tempo all'esterno del reattore moderato ad acqua 14 (o all'interno del reattore moderato a grafite 39) una frazione consistente di neutroni ritardati viene emessa quando il pistone si muove verso la posizione di PMI. To summarize, Fig. 8 shows an NPSEE which is the combination of two reactors with different characteristics. The reactor represented by the fuel located in the alveoli 14 is a pressurized water reactor which becomes critical only depending on the movement of the plunger or pistons 13. The reactor instead represented by the fuel placed in the alveoli 40 is a moderate graphite reactor 39 which gives the possibility of using the fuel already used (spent-fuel). In this case, if only one of the plungers 13 is considered, it can be seen that the plunger is cyclically inserted into the water-moderate reactor 14 (Fig. 8) as it exits the graphite-moderated reactor 39. In the next step the plunger exits from the water-moderate reactor 14 and enters the graphite-moderate reactor 39. This situation is repeated every time the drive shaft rotates by 180 ° C. Therefore the fission reactions occurring in the fuel contained in the alveoli 13 produce fission fragments which will decay by emitting delayed neutrons. Since the plunger or plungers 13 spend 50% of the time outside the water-moderate reactor 14 (or inside the graphite-moderate reactor 39) a substantial fraction of retarded neutrons is emitted as the piston moves to the position of SMEs.

Normalmente, e dipendentemente dalla geometria, la condizione di criticità per reattori funzionanti con uranio naturale {non arricchito) è poco inferiore al valore per cui k=l, cosicché tali reattori non possono operare. In ogni caso, se si considera una sorgente addizionale di neutroni che viene ciclicamente inserita all'interno di un tale reattore, il bilancio di neutroni può superare il valore per cui la criticità è unitaria e conseguentemente permette il raggiungimento della condizione di super-criticità necessario al funzionamento. Normally, and depending on the geometry, the critical condition for reactors operating with natural uranium (not enriched) is slightly lower than the value for which k = l, so that such reactors cannot operate. In any case, if we consider an additional neutron source that is cyclically inserted inside such a reactor, the neutron balance can exceed the value for which the criticality is unitary and consequently allows the achievement of the necessary super-critical condition. to operation.

Nella Fig. 9 e Fig. 10 viene rappresentato il ciclo termodinamico del motore NPSEE. I processi termodinamici 1-2, 2-3 e 3-4 corrispondono ai processi di compressione/espansione che avvengono all'interno dell'espansore costituito dal sistema stantuffo-cilindro nel momento in cui la valvola o valvole 8, in Fig. 1 e Fig. 8, sono mantenute chiuse. Se si considera solo uno stantuffo, come mostrato in Fig. 1, quando la fase di espansione termina i vari collegamenti meccanici rappresentati dai sistemi 9 e 10 aprono la valvola di scarico permettendo al vapore di espandere nelle turbine 18. Questo è il processo indicato dagli stati 4-5 in Fig. 9 e Fig. 10, caratterizzati da ulteriore addizione di calore durante la fase di scarico. I processi termodinamici 5-6, 6-7 e 7-8 in Fig. 9 rappresentano le espansioni di vapore nelle turbine 18, nel sistema di recupero del calore 21 e nel condensatore 20 così come è mostrato in Fig. 1 e 5. Il processo di compressione 8-0 in Fig. 9 e Fig. 10 è ottenuto per mezzo della pompa ad alta pessione 22 come rappresentato in Fig. 1 e Fig. 5. In Fig. 9 i processi 0-01 indicano la fase di addizione di calore che avviene nello scambiatore di calore 21 come mostrato in Fig. 1 e Fig. 5. In Fig. 9 i processi 01-02 indicano gli assorbimenti di calore che avvengono nel reattore 14 prima della pressurizzazione nella pompa 1 come è mostrato in Fig. 1. In questo caso il motore NPSEE è configurato per il riciclaggio di combustibile usato, come mostrato in Fig. 8. I processi 01-02 rappresentano le addizioni di calore nella parte di reattore pressurizzata (pressurizzata per mezzo della pompa 22) che raffredda il reattore moderato a grafite 29 e il reattore moderato ad acqua 14 prima che il fluido esca dall'uscita 29 come mostrato in Fig. 1 e Fig. 8. I processi 03-1 in Fig. 9 e Fig. 10 rappresentano i processi di addizione di calore che avvengono nelle cavità da calore 23 (Fig. 3), e nelle cavità di calore 7 e 34 mostrate nelle Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 e Fig. 8. In generale il ciclo termodinamico del motore NPSEE è una sequenza di dodici processi nei quali l'espansione di vapore avviene alternatamente nei due sistemi di espansione, il sistema cilindro-stantuffo nella struttura 13 e 35, e le turbine 18. Il rendimento di questo ciclo è fortemente dipendente dalla quantità di acqua iniettata attraverso gli iniettori 3, 24a e 24b. Se la temperatura massima consentita sulle superfici delle cavità di calore 7 e 34 è di circa 720°C, il rendimento massimo del motore NPSEE è di circa 56%, con un rendimento equivalente del ciclo di Carnot di circa 68%. Siccome la quantità di acqua iniettata dipende dai gradi di rotazione del motore previsti per la fase di iniezione e quindi dagli rpm del motore, il rendimento varia principalmente come funzione della massima temperatura consentita sulle superfici delle cavità di calore 7 e 34, il numero di rivoluzioni dell'albero motore (rpm) e la durata della fase di iniezione, che è preselezionata arbitrariamente per mezzo della regolazione della posizione della camma 28 che, a sua volta, determina il movimento della girante 27 della pompa (compressore 1 - Fig. 1). In Fig. 9 and Fig. 10 the thermodynamic cycle of the NPSEE motor is represented. The thermodynamic processes 1-2, 2-3 and 3-4 correspond to the compression / expansion processes that take place inside the expander constituted by the piston-cylinder system when the valve or valves 8, in Fig. 1 and Fig. 8, are kept closed. If only one plunger is considered, as shown in Fig. 1, when the expansion phase ends the various mechanical connections represented by systems 9 and 10 open the exhaust valve allowing the steam to expand in the turbines 18. This is the process indicated by the states 4-5 in Fig. 9 and Fig. 10, characterized by further addition of heat during the discharge phase. The thermodynamic processes 5-6, 6-7 and 7-8 in Fig. 9 represent the steam expansions in the turbines 18, in the heat recovery system 21 and in the condenser 20 as shown in Fig. 1 and 5. The compression process 8-0 in Fig. 9 and Fig. 10 is obtained by means of the high pressure pump 22 as shown in Fig. 1 and Fig. 5. In Fig. 9 the processes 0-01 indicate the phase of addition of heat that occurs in the heat exchanger 21 as shown in Fig. 1 and Fig. 5. In Fig. 9 the processes 01-02 indicate the heat absorption that occurs in the reactor 14 before pressurization in the pump 1 as shown in Fig. 1. In this case the NPSEE engine is configured for used fuel recycling, as shown in Fig. 8. Processes 01-02 represent the heat additions in the pressurized part of the reactor (pressurized by means of the pump 22) which cools the graphite moderate reactor 29 and water moderate reactor 14 before the fluid exits from the outlet 29 as shown in Fig. 1 and Fig. 8. The processes 03-1 in Fig. 9 and Fig. 10 represent the heat addition processes that take place in the heat cavities 23 (Fig. 3), and in the heat cavities 7 and 34 shown in Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 and Fig. 8. In general, the thermodynamic cycle of the NPSEE engine is a sequence of twelve processes in which the expansion of vapor it occurs alternately in the two expansion systems, the cylinder-piston system in the structure 13 and 35, and the turbines 18. The efficiency of this cycle is strongly dependent on the quantity of water injected through the injectors 3, 24a and 24b. If the maximum allowable temperature on the surfaces of the heat cavities 7 and 34 is approximately 720 ° C, the maximum efficiency of the NPSEE motor is approximately 56%, with an equivalent Carnot cycle efficiency of approximately 68%. Since the amount of injected water depends on the degrees of rotation of the engine foreseen for the injection phase and therefore on the engine rpm, the efficiency varies mainly as a function of the maximum temperature allowed on the surfaces of the heat cavities 7 and 34, the number of revolutions crankshaft (rpm) and the duration of the injection phase, which is arbitrarily preselected by adjusting the position of the cam 28 which, in turn, determines the movement of the impeller 27 of the pump (compressor 1 - Fig. 1) .

In particolare, per enfatizzare l'effetto del cambiamento del numero di rpm sul ciclo termodinamico, in Fig. 10 si può notare che per un numero di rpm=100 gli stati termodinamici (2) e (3) sono ancora nella regione in cui il fluido è presente in entrambe le fasi liquido-vapore. Se il numero di rpm viene aumentato, una quantità minore di acqua viene iniettata e gli stati termodinamici (Ι'), (2') e (3') si spostano verso le regioni di surriscaldamento con conseguente aumento dell'entropia del fluido. Questo effetto è mostrato in dettaglio nella Fig. 10 dove lo stato (1) è relativo ad un numero di rpm pari a 100, mentre lo stato (ΐ') è relativo ad un numero di rpm ottimizzato in modo da indurre il rendimento più elevato (in questo caso rpm=227) . In particular, to emphasize the effect of the change in the number of rpm on the thermodynamic cycle, in Fig. 10 it can be noted that for a number of rpm = 100 the thermodynamic states (2) and (3) are still in the region where the fluid is present in both liquid-vapor phases. If the number of rpm is increased, less water is injected and the thermodynamic states (Ι '), (2') and (3 ') move towards the superheat regions resulting in an increase in the entropy of the fluid. This effect is shown in detail in Fig. 10 where the state (1) is related to a number of rpm equal to 100, while the state (ΐ ') is related to a number of rpm optimized in order to induce the highest efficiency. (in this case rpm = 227).

Riassumendo, quando la velocità angolare dell'albero motore del NPSEE viene aumentata, mantenendo comunque costanti i gradi selezionati per la fase di iniezione, una minore quantità di acqua è iniettata attraverso gli iniettori 3, 24a e 24b. Questo induce complessivamente un aumento dell'area sottostante al ciclo del motore NPSEE come mostrato nel diagramma T-S (Fig. 10), che si traduce in un accrescimento del rendimento pur in presenza di limiti superiori di temperatura (la temperatura sulle superfici del materiale che riveste il combustibile non deve superare 720°C per ragioni di sicurezza). In summary, when the angular speed of the NPSEE crankshaft is increased, while keeping the degrees selected for the injection phase constant, a smaller quantity of water is injected through the injectors 3, 24a and 24b. This induces an overall increase in the area underlying the NPSEE engine cycle as shown in the T-S diagram (Fig. 10), which results in an increase in efficiency even in the presence of upper temperature limits (the temperature on the surfaces of the material that covers the fuel must not exceed 720 ° C for safety reasons).

Claims (1)

RIVENDICAZIONI Un motore ad espansione di vapore nel quale un reattore di tipo pulsato viene utilizzato come sorgente di calore per produrre lavoro termodinamico con alto rendimento, come conseguenza della rapida espansione del vapore all'interno di cavità di calore progettate appositamente e idraulicamente connesse a un sistema cilindro-stantuffo, nel quale il vapore si ricicla per mezzo dello stesso attraverso le cavità di calore, prima di un'ulteriore espansione in un espansore di tipo a turbina, nel quale il vapore di scarico viene fatto circolare attraverso uno scambiatore di calore prima di iniziare la condensazione in un condensatore convenzionale, nel quale il condensato viene ricircolato, dopo una pressurizzazione in un compressore, all'interno di un reattore termico moderato ad acqua che in congiunzione con gli effetti di reattività causati dallo spostamento di stantuffi ha la capacità di generare le caratteristiche neutroniche necessarie a superare la condizione di criticità e che consente anche l'utilizzazione dei neutroni emessi dagli stantuffi durante l'avvicinamento al PMI, per conseguire la condizione di criticità per un addizionale reattore moderato a grafite e formato da combustibile già usato che ancora contiene una notevole quantità di uranio naturale e conseguentemente consente la riutilizzazione di combustibile ritenuto "spent". Un motore ad espansione di vapore secondo la rivendicazione 1 che comprende iniettori ad alta pressione che si aprono in sincronismo con la posizione dell'albero motore e in funzione della relativa fase per iniettare acqua allo stato liquido compresso all'interno di cavità di calore appositamente previste. Un motore ad espansione di calore secondo la rivendicazione 2 che comprende cavità di calore formate per mezzo di posizionamento delle barre di combustibile nucleare all'interno di tubazioni concentriche in modo da formare annuii e/o interstizi nei quali il vapore si espande ad alta velocità in quanto il fluido è forzato ad un contatto intimo con le superfici calde dei materiali che rivestono il combustibile nucleare·. Un motore ad espansione di vapore secondo la rivendicazione 1 che comprende un reattore pressurizzato nel quale il calore viene trasferito dal materiale di rivestimento del combustibile al fluido allo stato liquido prima di un'ulteriore pressurizzazione nelle linee degli iniettori . Un motore ad espansione di vapore secondo la rivendicazione 1 che comprende un sistema con cilindri e stantuffi, nel quale il vapore si espande come conseguenza dell'iniezione del fluido nelle cavità di calore, permettendo allo stantuffo di produrre lavoro. Un motore ad espansione di vapore secondo la rivendicazione 1 che comprende un sistema di turbine nelle quali il vapore di scarico del sistema cilindro-stantuffo espande ulteriormente dopo essere passato per le cavità di calore durante la fase di scarico dell'espansore rappresentato dal sistema cilindro-stantuffo. Un motore ad espansione di vapore secondo la rivendicazione 1'che comprende un sistema di valvole di scarico che collega alternativamente i due dispositivi di espansione rappresentati dal sistema cilindri-stantuffi e dalle turbine che producono ulterióre lavoro termodinamico. Un motore ad espansione di vapore secondo la rivendicazione 1 nel quale il combustibile usato contenente una notevole quantità di uranio naturale viene riciclato collocandolo all'interno di un reattore moderato a grafite, adiacente ad un reattore moderato ad acqua, nel quale un numero variabile di stantuffi possono venire inseriti ogni volta che si avvicinano al PMI, e le caratteristiche del materiale fissile collocato negli alveoli dello stantuffo consentono che lo stantuffo(i) stesso rappresenti una sorgente di neutroni necessaria per conseguire e superare la condizione di criticità per il reattore moderato con grafite. Un motore ad espansione di vapore secondo la rivendicazione 1 che comprende un appropriato numero di barre di controllo necessarie a stabilizzare il valore medio dell'andamento oscillante della fissione dovuto al movimento dello stantuffo. Un motore ad espansione di vapore secondo la rivendicazione 1 che comprende una serie di sotto-sistemi che connessi formano il ciclo termodinamico che è formato a sua volta da dodici processi termodinamici che costituiscono il motore NPSEE caratterizzato dalla contribuzione di due espansori, il sistema cilindro-stantuffo e il sistema di turbine, che vengono attivati alternativamente in ogni ciclo, inducendo un rendimento complessivo di circa 56%. CLAIMS A steam expansion engine in which a pulsed-type reactor is used as a heat source to produce thermodynamic work with high efficiency, as a result of the rapid expansion of steam within specially designed heat cavities hydraulically connected to a cylinder system - plunger, in which the steam is recycled through the same through the heat cavities, before further expansion in a turbine-type expander, in which the exhaust steam is circulated through a heat exchanger before starting condensation in a conventional condenser, in which the condensate is recirculated, after a pressurization in a compressor, inside a water-moderate thermal reactor which, in conjunction with the reactivity effects caused by the movement of plungers, has the ability to generate the neutron characteristics necessary to overcome the critical condition and which allows also the use of the neutrons emitted by the plungers during the approach to the PMI, to achieve the critical condition for an additional graphite-moderated reactor formed by fuel already used which still contains a considerable amount of natural uranium and consequently allows the reuse of fuel deemed "spent". A vapor expansion engine according to claim 1 which comprises high pressure injectors which open in synchronism with the position of the crankshaft and as a function of the relative phase to inject water in a compressed liquid state into specially provided heat cavities . A heat expansion engine according to claim 2 which includes heat cavities formed by positioning the nuclear fuel rods within concentric pipes to form annuities and / or interstices in which the vapor expands at high speed in how much the fluid is forced into intimate contact with the hot surfaces of the materials that coat the nuclear fuel ·. A vapor expansion engine according to claim 1 which includes a pressurized reactor in which heat is transferred from the fuel coating material to the liquid state fluid prior to further pressurization in the injector lines. A steam expansion engine according to claim 1 which includes a cylinder and plunger system, in which the steam expands as a result of the fluid injection into the heat cavities, allowing the plunger to produce work. A steam expansion engine according to claim 1 which comprises a turbine system in which the exhaust steam of the cylinder-piston system further expands after passing through the heat cavities during the exhaust phase of the expander represented by the cylinder system. piston. A steam expansion engine according to claim 1 which comprises an exhaust valve system which alternately connects the two expansion devices represented by the cylinder-piston system and the turbines which produce further thermodynamic work. A steam expansion engine according to claim 1 in which the used fuel containing a substantial amount of natural uranium is recycled by placing it inside a graphite-moderate reactor, adjacent to a water-moderate reactor, in which a variable number of plungers they can be inserted every time they approach the PMI, and the characteristics of the fissile material placed in the pockets of the plunger allow the plunger (s) itself to represent a neutron source necessary to achieve and overcome the critical condition for the graphite-moderated reactor . A steam expansion engine according to claim 1 which comprises an appropriate number of control rods necessary to stabilize the average value of the oscillating trend of the fission due to the movement of the plunger. A steam expansion engine according to claim 1 which comprises a series of connected sub-systems which form the thermodynamic cycle which is formed in turn by twelve thermodynamic processes which constitute the NPSEE engine characterized by the contribution of two expanders, the cylinder system. piston and turbine system, which are activated alternately in each cycle, inducing an overall efficiency of about 56%.