Экспериментально-теоретическая оценка эффективности системы сжигания с рециркуляцией непрореагировавшего водорода для подогрева питательной воды в цикле АЭС

Стратегия развития энергетики России до 2050 г. предусматривает участие АЭС в регулировании суточной неравномерности электрической нагрузки. Это приводит к переменному режиму работы атомных станций, что не эффективно по причинам преждевременного износа основного оборудования станции, в особенности это касается оболочек тепловыделяющих элементов в активной зоне, а также особенностей процесса цепных реакций в активной зоне, связанного с ксеноновым отравлением. В этой связи в работе рассмотрена система дополнительного подогрева питательной воды в паротурбинном цикле АЭС с рециркуляцией непрореагировавшего водорода, позволяющая безопасно повысить мощность энергоблока АЭС в пиковые часы электрической нагрузки в энергосистеме при обеспечении базисного режима работы атомной станции. По выполненным экспериментально-теоретическим оценкам в диапазоне давлений в водород-кислородной камере сгорания 0,2-2 МПа доля рециркуляции водорода составила 99,5-18,3%. Уменьшение величины рециркуляции с ростом давления обусловлено активной рекомбинацией водорода с кислородом в процессе охлаждения диссоциированного пара, а также возрастающим влиянием уноса водорода в конденсате из-за увеличения его растворимости. При снижении доли рекомбинации до 0,97 в диапазоне давлений 0,2-7 МПа, доля рециркуляции водорода составляет 99,5-28,1%. Проведенная оценка показала, что происходит снижение абсолютного внутреннего КПД паросилового цикла по мере увеличения расхода водорода на подогрев питательной воды. При этом прирост КПД брутто энергоблока АЭС составляет 0,73-1,78%, а эффективность конверсии внепиковой электроэнергии достигает 37,06-25,96%. Максимальная эффективность достигается при давлении в водород-кислородной камере сгорания, равном 1,1 МПа.

1. . Ишков А. Г. Методологические подходы к оценке углеродного следа и сертификации низкоуглеродного водорода / А.Г. Ишков и др. // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. –№ 7. – С. 183-208.

2. . Аминов Р. З., Байрамов А. Н., Кульбякина А. В. Оценка эффективности производства водорода на базе АЭС для использования в технологии переработки нефти // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2025. – № 4. – С. 63-81.

3. . Зайченко В. М. Развитие возобновляемой и водородной энергетики в России / В. М. Зайченко и др. // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2021. – №№ 25-27. – С. 64-71.

4. . Энергетическая стратегия России на период до 2050 г. / Правительство Российской Федерации. – Москва, 2025. – 73 с.

5. . Yurin V. E., Egorov A. N., Bashlykov D. O. Cooldown of a water-cooled reactor during the natural circulation mode using decay heat of the core and a low-power steam turbine // Nuclear Engineering and Design. – 2023. – V. 409. – 112364. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2023.112364.

6. . Yurin V. E., Egorov A. N. Primary frequency regulation in the power system by nuclear power plants based on hydrogen-thermal storage // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – V. 47. – I. 8. – Рp. 5010-5018. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.11.197.

7. . Egorov A. N., Yurin V. E. Comprehensive study of the technical and economic efficiency of a hydrogen energy complex with a closed fuel cycle // International Journal of Hydrogen Energy. – 2025. – V. 147. – Pp. 149977. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.06.167.

8. . Aminov R. Z., Egorov A. N. Increasing capacity of a nuclear power plant unit using the hydrogen-fueled feedwater heating system // International Journal of Energy Research. – 2020. – V. 44. – I. 7. – Pp. 5609-5620. DOI: 10.1002/er.5310.

9. . Aminov R. Z., Egorov A. N., Yurin V. E. Hydrogen cycle, based backup for NPP internal needs during a blackout // Atomic Energy. – 2013. – V. 114. – I. 4. – Pp. 289-292. DOI: 10.1007/s10512-013-9712-0.

10. . Aminov R. Z., Egorov A. N., Yurin V. E. Complex Analysis of NPP Safety Systems with VVER in Emergency Situations Using the Example of the Novovoronezh NPP-2 Project. 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). IEEE Publishing, 2018. – 8602664. DOI: 10.1109/FarEastCon.2018.8602664.

11. . Aminov R. Z., Egorov A. N., Bairamov A. N. Assessment of the systemic efficiency of an NPP base load supply based on combination with hydrogen technologies // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – V. 48. – I. 87. – Pp. 33996-34008.

12. . Аминов Р. З. Егоров А. Н., Байрамов А.Н. Оценка эффективности участия АЭС в покрытии пиковых электрических нагрузок на основе водородных технологий // Теплоэнергетика. – 2024. – № 2. – С. 1-18.

13. . Юрин В. Е., Егоров А. Н. Прогнозная экономическая эффективность комбинирования АЭС с автономным водородным энергокомплексом // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – №№ 13-15. – С. 40-51.

14. . Байрамов А. Н. Оценка эффективности перспективных вариантов схем комбинирования АЭС с водородным комплексом // Энергетик. – 2023. – № 2. – С. 8-13.

15. . Bairamov A. N. Comprehensive assessment of system efficiency and competitiveness of nuclear power plants in combination with hydrogen complex // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – V. 48. – I. 70. – Pp. 27068-27078.

16. . Aminov R. Z., Egorov A. N. Assessment of technical and economic efficiency of a closed hydrogen cycle at NPP // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – I. 32. – Pp. 15744-15751. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.04.068.

17. . Аминов Р. З., Байрамов А. Н. Оценка системной эффективности АЭС в комбинировании с водородным энергетическим комплексом // Известия РАН. Энергетика. – 2019. – № 1. – С. 70-81.

18. . Aminov R. Z., Bairamov A. N., Garievskii M. V. Assessment of the Performance of a Nuclear-Hydrogen Power Generation System // Thermal Engineering. – 2019. – V. 3. – I. 66. – Pp. 196-209.

19. . Байрамов А. Н., Макаров Д. А. Разработка и обоснование нового принципа комбинирования АЭС с водородным комплексом // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. – № 5 (422). – С. 30-50.

20. . Рябов Г. А. Использование технологии химических циклов для производства водорода // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2021. – №№ 04-06. – С. 82-92.

21. . Колбанцев Ю. А. Анализ эффективности утилизации низкопотенциального тепла водородного комплекса на энергоблоке АЭС / Ю. А. Колбанцев и др. // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. – № 4. – С. 68-85.

22. . Жизнин С. З., Тимохов В. М. Экономические аспекты развития ядерно-водородной энергетики в мире и в России // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2020. – №№ 01-06. – С. 40-59.

23. . Аминов Р. З., Байрамов А. Н., Гариевский М. В. Оценка системной эффективности многофункционального водородного комплекса на АЭС // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – №№ 13-15. – С.24-39.

24. . Аминов Р. З., Байрамов А. Н., Филиппов С. П. Комплексная оценка эффективности системы производства и транспортировки водорода // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. – № 10. – С. 167-199.

25. . Зверева Э. Р. Перспективы получения зеленого водорода на мини-ГЭС для транспорта / Э. Р. Зверева и др. // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2024. – № 9. – С. 96-110.

26. . Нефедкин С. И. Автономное энергоснабжение с использованием ветроэнергетического комплекса и водородного аккумулирования энергии / С. И. Нефедкин и др. // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – №№ 16-18. – С. 12-26.

27. . Синха П. Повышение выработки биоводорода с помощью новой стратегии аугментации с использованием различных органических остатков / П. Синха и др. // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – №№ 34-36. – С. 26-40.

28. . Малышенко С. П., Пригожин В. И., Савич А. Р., Счастливцев А. И., Ильичев В. А., Назарова О. В. Эффективность генерации пара в водородно-кислородных парогенераторах мегаваттного класса мощности // Теплофизика высоких температур. – 2012. – T. 50. – № 6. – С. 820-829.

29. . Прибатурин Н. А. Экспериментальное исследование процесса горения смесей водород-кислород и метан-кислород в среде слабоперегретого водяного пара // Теплоэнергетика. – 2016. – № 5. – С. 31-36.

30. . Fröhlke K., Haidn O. J. Spinning reserve system based on H2/O2 combustion // Energy Convers. Mgmt. – 1997. – V. 38. – I. 10-13. – Рp. 983-993.

31. . Haidn O. J., Fröhlke K., Carl J., Weingartner S. Improved combustion efficiency of a H2/O2 steam generator for spinning reserve application // International Journal of Hydrogen Energy. – 1998. – V. 23. – I. 6. – Рp. 491-497.

32. . Huang F., Kong W. Effects of hydrogen addition on combustion characteristics of a free-piston linear engine with glow-assisted ignition // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – I. 44. – Рp. 23040-23052.

33. . Tang G. Experimental investigation of premixed combustion limits of hydrogen and methane additives in ammonia // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – I. 39. – Рp. 20765-20776.

34. . Wang Y., Zhou X., Liu L. Theoretical investigation of the combustion performance of ammonia/hydrogen mixtures on a marine diesel engine // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – I. 27. – Рp. 14805-14812.

35. . Zhu H. Effect of excess hydrogen on hydrogen fueled internal combustion engine under full load // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – I. 39. – Рp. 20419-20425.

36. . Yu X. Effects of hydrogen direct injection on combustion and emission characteristics of a hydro-gen/Acetone-Butanol-Ethanol dual-fuel spark ignition engine under lean-burn conditions // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – I. 58. – Рp. 34193-34203.

37. . Wang D. Numerical study of the premixed ammonia-hydrogen combustion under engine-relevant conditions // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – I. 2. – Рp. 2667-2683.

38. . Shi B. Rapidly mixed combustion of hydro-gen/oxygen diluted by N2 and CO2 in a tubular flame combustor // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – V. 43. – I. 31. – Рp. 14806-14815.

39. . Metrow C., Gray S., Ciccarelli G. Detonation propagation through a nonuniform layer of hydrogen-oxygen in a narrow channel // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – I. 41. – Рp. 21726-21738.

40. . Yapicioglu A., Dincer I. Performance assessment of hydrogen and ammonia combustion with various fuels for power generators // International Journal of Hydrogen Energy. – 2018. – V. 43. – I. 45. – Рp. 21037-21048.

41. . Zhang F. Characterising premixed ammonia and hydrogen combustion for a novel Linear Joule Engine Generator // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – I. 44. – Рp. 23075-23090.

42. . Ramsay C. J. A numerical study on the effects of constant volume combustion phase on performance and emissions characteristics of a diesel-hydrogen dual-fuel engine // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – I. 56. – Рp. 32598-32618.

43. . Mashruk S., Xiao H., Valera-Medina A. Rich-Quench-Lean model comparison for the clean use of humidified ammonia/hydrogen combustion systems // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – V. 46. – I. 5. – Рp. 4472-4484.

44. . Valera-Medina A. Premixed ammonia/hydrogen swirl combustion under rich fuel conditions for gas tur-bines operation // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – V. 44. – I. 16. – Рp. 8615-8626

45. . Zhao Y., McDonell V., Samuelsen S. Assessment of the combustion performance of a room furnace operating on pipeline natural gas mixed with simulated bio-gas or hydrogen // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – V. 45. – I. 19. – Рp. 11368-11379.

46. . Zhao Y., McDonell V., Samuelsen S. Influence of hydrogen addition to pipeline natural gas on the combustion performance of a cooktop burner // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – V. 44. – I. 23. – Рp. 12239-12253.

47. . Zhao Y., McDonell V., Samuelsen S. Experimental assessment of the combustion performance of an oven burner operated on pipeline natural gas mixed with hydrogen // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – V. 44. – I. 47. – Рp. 26049-26062.

48. . Аминов Р. З., Счастливцев А. И., Байрамов А. Н. Экспериментальная оценка доли непрореагировавшего водорода при сжигании в среде кислорода // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2020. – №№ 7-18 (330-341). – С. 68-79.

49. . Aminov R. Z., Schastlivtsev A. I., Bairamov A. N. Experimental Evaluation of the Composition of the Steam Generated during Hydrogen Combustion in Oxygen // High Temperature. – 2020. – V. 58(3). – Pp. 410-416.

50. . Аминов Р. З., Счастливцев А. И., Байрамов А. Н. Экспериментальные результаты исследования недожога водорода при сжигании в среде кислорода // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2022. – № 1 (394). – С. 52-68.

51. . Egorov A. N., Bairamov A. N., Schastlivtsev A. I. Development and justification of a hydrogen-in-oxygen combustion system using recirculation based on an experimental study // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – V. 89. – Pp. 624-633. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.09.210.

52. . Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. – М.: Наука, 1972. – 721 с.

53. . Бараненко В. И., Киров В. С. Растворимость водорода в воде в широком диапазоне температуры и давления // Атомная энергия. – 1989. – № 66(1). – С. 24-28.

54. . Aminov R. Z., Egorov A. N., Schastlivtsev A. I. Investigation on Combustion Efficiency of the Hydrogen-Oxygen Mixture at Various Pressures and Excess Oxidizer Based on Experimental and Theoretical Studies // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – V. 48. – I. 94. – Pp. 36946-36954. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.06.057.

55. . Aminov R. Z., Egorov A. N. Experimental and theoretical study of combustion efficiency of hydrogen-oxygen mixture at pressure of 0,25 to 6,0 MPa // International Journal of Energy Research. – 2022. – V. 46. – I. 12. – Pp. 17682-17692. DOI: 10.1002/er.8383.